地鐵車輛車頂吊掛元件動態試驗工裝設計

韓穎 孫文靜 尤泰文

摘要：為研究地鐵車頂吊掛元件所用連接件的連接參數和疲勞特性，設計一套地鐵車輛車頂吊掛元件動態試驗工裝。工裝固定在振動試驗臺上，模擬地鐵車輛車頂局部吊掛梁的安裝結構，測試車頂吊掛梁連接件在模擬振動環境下的連接參數，為地鐵車輛常用緊固件連接參數的選定提供依據。為驗證工裝的力學特性是否滿足試驗要求，利用有限元軟件校核工裝強度，并在其頻域內進行隨機振動疲勞分析，計算結果表明工裝的靜強度和疲勞壽命均滿足試驗要求。

關鍵詞：地鐵車輛;車頂吊掛;試驗工裝設計;力學特性;疲勞

中圖分類號：TH131.3;U270.32

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）01-0022-06

0 引 言

隨著地鐵車輛運營速度和載重量的不斷提高，車輛關鍵部位連接結構的服役性能已成為影響地鐵車輛運行安全的關鍵性問題之一。車頂是軌道車輛車體結構的四大部件之一，既要承受車輛運行時受到的縱向力和沖擊力，又要承受車頂空調風道、照明設備、立柱和扶手等吊掛設備所產生的垂向載荷。因此，車頂骨架和車頂內裝的制造精度、兩者之間連接部分的裝配質量和激勵水平都直接關系到車體的結構強度。

目前，對地鐵車輛車頂吊掛梁連接件連接狀態的研究較少。劉艷等[1]分析吊掛元件的墊片材質、尺寸等變量單獨作用和聯合作用對地鐵車輛上常用螺紋連接件預緊力衰減的影響程度。溫楠[2]分析認為，伴隨預緊力衰減，螺栓形狀有不同程度的改變，給出預緊力的控制措施和螺紋連接件防松的理論方法。基于這些理論研究，需要在振動試驗臺上模擬車頂吊掛梁的局部安裝結構，進行連接件的連接參數和疲勞特性試驗，將試驗結果與仿真分析結果進行對比，才能驗證理論分析的正確性，并綜合評價連接件的連接狀態和防松效果。[3]因而，模擬車頂吊掛設備安裝結構的振動測試裝置必不可少。

針對地鐵車輛車頂吊掛梁上大量應用的T型螺栓，設計一套地鐵車頂吊掛元件動態試驗工裝，模擬車頂吊掛結構連接狀態，并利用有限元軟件校核工裝強度，進行疲勞壽命分析，驗證工裝力學特性滿足試驗要求，證明該車頂吊掛試驗工裝設計滿足地鐵車頂吊掛緊固件結構優化設計測試要求。

1 工裝結構設計

1.1 設計要求

工裝結構設計的目的是：用扭矩扳手將T型槽用帶有傳感器的GB/T 37—1988 M8螺栓安裝在相應的試驗設備上;對螺栓施加實測得到的振動激勵信號，通過傳感器及其測試系統對連接件進行預緊力變化數據的采集;將試驗結果與仿真結果進行對比，綜合評價螺栓結構的連接狀態。[4]因此，試驗工裝結構設計要求如下：

（1）結構設計合理。車頂邊梁與內裝框架之間由左右對稱的多個吊掛件連接，試驗工裝僅模擬其中一對吊掛件。工裝外框架底面應與振動試驗臺有足夠大的安裝面，以準確傳遞振動臺產生的加速度激勵。內框架（配重框）底面應有足夠的面積放置模擬車頂吊掛設備質量的鐵塊。設計應充分利用對稱性，提高振動加速度傳遞的可靠性。

（2）具有較高的強度和剛度。在進行靜載荷試驗和動載荷試驗時，工裝任意時刻、任意一點處的應力大小均不能超過材質的屈服極限。在進行動態試驗時，工裝結構不應該出現較大的變形，即工裝要有較大的動剛度，才能將振動臺所施加的振動激勵準確傳遞至被測螺栓上。

1.2 工裝三維模型

依據測試要求，工裝由框架與配重組成，框架和配重通過連接件、角鐵和T型槽等零部件連接。T型槽用GB/T 37—1988 M8螺栓在該工裝上安裝，見圖1。

工裝及各子部件的三維模型見圖2。工裝外框架尺寸為820 mm×720 mm×800 mm，由多個不同尺寸的方形管焊接成長方形結構，底面尺寸根據振動試驗臺安裝面設計，高度設計考慮振動時內框架部分不與外框架發生干涉。方管壁厚為3 mm，節省材料的同時保證工裝框架具有一定強度。內框架尺寸為310 mm×210 mm×405 mm，由多個角鐵焊接成長方形結構，內部放置質量塊模擬配重。角鐵（780 mm×50 mm×4 mm）和T型槽部分模擬車頂邊梁，T型槽和角鐵通過M10的普通六角頭螺栓與外框架相連。吊掛件為薄壁結構，壁厚約為5 mm。吊掛件與T型槽、吊掛件與內框架之間用T型試驗螺栓連接。

工裝設計采用具有良好可塑性和可焊接性的Q345b低碳合金鋼，其彈性模量為2.1×105 MPa，泊松比為0.3，材料密度為7.85×10-3 g/mm3，屈服極限為345 MPa。

2 強度計算與校核

地鐵車頂吊掛設備的質量和隨機振動環境是影響工裝承載品質的關鍵因素，因此先進行工裝靜強度校核計算，并結合有限元與疲勞壽命分析進一步在頻域內進行隨機振動疲勞壽命分析[5]。

2.1 有限元建模

為三維實體部件劃分網格時，六面體單元網格HEX可以以較小的計算代價獲得較高的計算精度。8節點六面體單元模型見圖3，單元共有24個位移分量（自由度）。

與普通的完全積分單元相比，線性縮減積分單元在每個方向上少用1個積分點，因此網格扭曲變形不會明顯影響其分析精度，而且可以方便地查看單元積分點上的應力分析結果。[6]

工裝有限元模型見圖4。采用8節點線性六面體縮減積分單元進行劃分，模型單元總數為186 868個，節點數為348 883個。

在不影響計算精度的前提下，為提高計算效率，簡化螺栓與螺栓孔之間的連接關系，不對螺栓進行精確建模，而采用在螺紋連接的2個零件的接觸面上創建綁定約束，模擬螺栓連接。

2.2 強度分析與校核

進行靜載荷強度工況計算。地鐵車輛車頂1對吊掛件所承載的設備質量約為140 kg，采用附加質量塊模擬車頂吊掛設備質量。工裝底面用螺紋連接的方式固定在振動模擬試驗臺上，靜載荷工況下約束工裝底面全部自由度。工裝加載側視圖見圖5，對整個模型定義y軸負方向的重力場。

靜載荷作用下工裝的等效應力云圖見圖6。危險點位于配重框與吊掛件的連接部位。高應力區域局部應力云圖見圖7，最大等效應力值約為36 MPa。材料的屈服極限為345 MPa，取安全因數n為1.15[7]，則材料的許用應力為300 MPa，遠大于工裝危險點處的等效應力值，因此本文設計的工裝靜強度滿足試驗要求。

3 隨機振動疲勞分析

根據試驗要求，工裝完成一次全面的動態試驗需要反復施加地鐵車頂吊掛梁上實測所得的振動激勵（約40 s）[4]，同時還需要滿足長久使用的要求，故對工裝的疲勞壽命進行計算分析。

根據疲勞設計的有限壽命設計方法[8]，只要保證工裝在規定的使用期限內能安全使用，即為滿足設計要求。在滿足結構疲勞壽命要求的前提下，不要求其無限次循環使用，因此允許工裝的工作應力超過其疲勞極限，以充分利用材料的承載潛力、減輕自重、降低能耗?；诖?，對本文設計的工裝結構進行隨機振動疲勞分析。

3.1 基本原理

將實測的加速度時域信號進行傅里葉變換，計算得到加速度功率譜密度（power spectral density， PSD），再分析在給定加速度PSD激勵下工裝的動態應力響應，然后根據材料的疲勞特性曲線和Miner線性疲勞損傷準則估算模型的疲勞壽命及分布。結構的隨機振動疲勞分析流程見圖8。

在Abaqus中采用模態疊加法對工裝有限元模型進行隨機響應分析。先求取輸入頻率f與結構應力之間的傳遞函數H（f），再將這一傳遞函數乘以輸入PSD函數W（f）， 即可獲取應力PSD函數G（f），用公式[9]表達即為

由Abaqus計算可得到應力響應PSD，并將其導入fe-safe中進行結構損傷率和疲勞壽命的估算。根據隨機過程理論知識，對于窄帶隨機振動過程，其峰值概率密度函數服從瑞利分布;對于白噪聲隨機振動過程，其峰值概率密度函數服從正態分布;對于其他的寬帶隨機過程，其峰值概率密度函數分布是上面2類分布的組合。根據Dirlik算法[10]，在T時間內應力幅值s的循環次數為

線性疲勞累積損傷理論的前提是疲勞累積是線性的，即在循環載荷作用下，單項疲勞損傷是可以線性地加起來的，各個應力之間存在相互獨立或互不相關2種情形。當累加的損傷達到某一區域或某一閾值時，試件或構件就發生疲勞破壞。[11]

在運行工況時，測得地鐵車輛的車頂吊掛梁垂向振動加速度時域信號，見圖9。對其進行傅里葉變換，得到的加速度PSD[12]見圖10。

模態計算和頻響計算是結構疲勞分析的基礎。用附加質量塊模擬車頂吊掛設備質量，加載示意見圖11。根據試驗要求，工裝底面用螺紋連接的方式固定在振動試驗臺上。為減小模型規模，不對振動試驗臺進行精確建模，而將工裝底面與地面基礎固定連接，加速度PSD激勵加載至基礎上。

根據極限抗拉強度σu和彈性模量E，采用SEEGER方法[13]進行Q345b鋼的S-N曲線擬合。局部應力幅值與疲勞壽命的關系為

Q345b鋼的S-N曲線見圖12。S-N曲線上N=107對應的應力值S即為材料的許用應力。Q345b鋼的抗拉強度極限為430 MPa，SEEGER擬合許用應力為150 MPa。

3.2 計算結果分析

由Abaqus計算得到工裝的應力響應PSD，導入fe-safe中，結合Q345b鋼的S-N曲線，得到此工裝的損傷。fe-safe計算結果將結構損傷轉換為循環次數，并取以10為底的對數，即

工裝疲勞循環次數對數云圖見圖13。數值較小說明在此加速度PSD激勵下工裝疲勞可循環次數較低，所以單次循環下結構的損傷較大。因此，數值小的區域即為工裝易發生疲勞損壞的危險區域。

由圖13可知，較易發生疲勞損傷的區域集中在連接外框架和吊掛件的角鐵中部、吊掛件中部，以及內框架和吊掛件連接處。

各危險區域疲勞循環次數對數云圖見圖14。在這些高應力特征區域選取損傷率較大的單元節點進行工裝疲勞評估。設工裝在試驗加速度激勵下循環5×106次[14]，結合樣本加速度PSD下工裝的循環壽命次數，根據式（12）得到工裝的總體損傷率，計算結果見表1。由此可知，工裝危險區域的疲勞損傷D均小于臨界疲勞損傷Dcr，說明此工裝滿足疲勞設計要求。若要進一步提高工裝整體疲勞壽命，可以適當增加角鐵厚度和吊掛件壁厚，或在吊掛件與內框架連接的地方增加倒角，降低應力集中。

4 結束語

（1）為檢測地鐵車輛車頂吊掛元件所用連接件預緊力衰減等連接參數是否合格，分析其疲勞特性，設計一套地鐵車輛車頂吊掛元件動態試驗工裝。該工裝結構與實際地鐵車輛車頂局部吊掛梁結構相同。振動臺施加的加速度激勵傳遞給工裝上的待測緊固件，待測緊固件在工裝上的安裝位置與實際車頂上的安裝位置一致，模擬緊固件連接性能的振動試驗安裝工況。

求，利用有限元分析軟件進行強度計算，校核工裝靜強度，并對工裝進行隨機振動應力與疲勞壽命分析，結果表明工裝的靜強度和疲勞壽命均滿足要求。

（3）該工裝結構可進行地鐵車輛車頂吊掛梁連接件預緊力衰減等連接參數試驗，從而優化參數，提高地鐵車輛螺紋緊固件的使用壽命并減少事故率，具有較高的應用價值，可為地鐵車輛常用緊固件連接參數的選定提供依據。

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（編輯 武曉英）