（光学工程专业论文）5000吨编组通用敞车c70纵向载荷谱的编制.pdf

北糸窝通人学琐i 学位浚史中史摘彗 中文摘要 摘要；提速和重载是我国铁路逡输豹发展方向，“十一巍”期闯将全蕊玎行时速 1 2 0 k m h 、5 0 0 0 楚缡缝瓣货运熊车。麓穰 歪残车安全运行，遴过线路实溅编割窭餮 合我国运用状况的纵向载荷谱，更新我国赞车结构的强魔设计规范和试验标准， 已成为一项非常紧迫的工作。 零文辗搀货举运震中兹纵| 筠载麓特点，参照美国a a r 瓿务觏范豹载褥谱，搽讨 在编希级向载荷谮中所遇到的许多理论阔艇和处理方法，论述了编制裁荷谱的具 体内容和步骤，以线路的实测数据为基础，试编制了符合我国货车实际运用条件下 的纵向载赫谱。生硬有以下工 棼： 1 ) 缀彝载蓠黪溺试；包括线鼹运行孛缀囱载蘅耪溜敖传鲎静缀淘载耱懿溅试。 2 ) 对试验数据进行处理，仿照a a r 规范的环境载荷谱，编制纵向裁衙样本谱。 3 ) 根据货车纵向受力状况，将纵向载荷分成溜放、制幼、缓解等工况，并依据 、烫囊绫诗及试验撵零谱会袋备耪互况，编制突鞴运费豹级翔载蔫谱。 4 ) 运用所编制的载荷谱，计算1 6 型钩聪框的寿命，弗与用a a r 载搿谱诗算的 寿命进行比较。 关键词：提速重载载荷谱钩尾框寿命 分类号：u 2 7 0 3 4 f l ! j c 窳瓮通人学硕 ：学位沦文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s l r a c l s p e e d - u pa n dh e a v yt o a di s t h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fo u rc o u n t r yr a i l w a y t r a n s p o r t i o n d u r i n gt h e “ll t hf i v e p e r i o d1 2 0k m h 5 , 0 0 0t o n sg r o u p i n go ff r e i g h t t r a i n sw i l lb ec o m p r e h e n s i v e l ys t a r t e d i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f eo p e r a t i o no f t r a i n s ， e s t a b l i s h i n gt h ea c t u a ll i n el o n g i t u d i n a ll o a ds p e c t r u m ，r e n e w i n gd e s i g ns t a n d a r da n d t h ee x p e r i m e n t a ls t a n d a r do fo u rc o u n t r yf r e i g h tv e h i c l es t r u c t u r et h r o u g ht h el i n e m e a s u r e ，h a sb e c o m ea ne x t r e m e l yu r g e n tw o r k b a s e do nt h el o n g i t u d i n a ll o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r e i g h tv e h i c l eu t i l i z a t i o n , r e f e r r i n gt ot h el o a ds p e c t r u mo ft h e a m e r i c a na a rm a c h i n e m a t t e r ss t a n d a r d 。t h i s a r t i c l ed i s c u s s e sm a n yt h e o r i e sq u e s t i o n sa n dp r o c e s s i n gm e t h o d sw h i c hi se c p u n t e di n t h ee s t a b l i s h m e n t l o n g i t u d i n a l l o a ds p e c t r u m ，e l a b o r a t sc o n c r e t e c o n t e n ta n dt h e s t e p 。a n dt r i e st oe s t a b l i s hnl o n g i t u d i n a ll o a db a s e do nt h em e a s u r e dd a t a 殛l i n e 罩h o m a i nw o r k sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 ) l o n g i 【t u d i n a ll o a dt e s t ：i n c l u d i n gl o n g i t u d i n a ll o a d sw h i c hh a p p e ni nt h el i n ea n d o n e sw h i c ho c c u ri nt h es w i t c h y a r d 。 2 t h et e s td a t ap r o c e s s i n g ：b yi m i t a t i n gt h ee n v i r o n m e n tl o a ds p e c t r u mo f t h ea a r s t a n d a r d ，t h el o i l 西t u d i n a l l o a ds a m p l es p e c t r u mw i l lh ee s t a b l i s h e d 3 、a c c o r d i n gt ot h ef r e i g h tv e h i c l ei m a g i t u d i n a ls t r e s s c o n d i t i o nl o a d sw i l lb e d i v i d e di n t os w i t c h y a r dc o n d i t i o n s , b r a k ec o n d i t i o n ，e a s ec o n d i t i na n ds oo n t h e nb a s e d o ns u r v e ys t a t i s t i c sa n ds a m p l e so fv a r i o u ss p e c t r a lc o n d i t i o n ，t h ep r e p a r a t i o no ft h e a c t u a lo p e r a t i o nl o n g i t u d i n a ll o a ds p e c t r u mw i l lb ee s t a b l i s h e d ， 钠b a s e do nt h el o a ds p e c t r u mw h i c hi se s t a b l i s h e d , t h el i f eo ft h e1 6h o o k s t a i l s f l a m ei se s t i m a t e da n dt h el i f eb yu t i l i z i n gt h e 舢状l o a ds p e c t r u mi sc o m p a r e d k e y w o r d s ：s p e e d - u p ，h e a v y , l o a ds p e c t r u m ，c o u p l e ry o k e ，l i f e c l a s s n o ；u 2 7 0 3 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：亏霉 f 签字e l 期：m 年 月日 导师签名：吞罨 签字同期加1 年，、月闩 北京殳j 匝人学硕i 学仔论文 独创性声明 独创- 陛声明 本人声明所丫交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究i ：佧雨j 取得的研究成果，除 了文中犄别加以杯注平i i 致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通人学或其他教育机构的学何或证ie 而使圳过的材料。与我同i ：作的 同忐对本研究所做的任何贡献均己住论文中作了明确的说明并表示了澍意。 学位论文作者签名：亏窄签字日期：庆矽 年内月日 致谢 在本论文的研究与撰写过程中，得到了导师李强教授的悉心指导和关怀。李 强教授严谨的工作作风、求实的治学精神、谦逊的品格以及不断吸收新的学术思 想的科学态度将使本人受益终生。在论文的选题、实验方法、数据处理、论文撰 写到最后定稿，导师都给了本人极大的帮助和指导，在此表示衷心的感谢! 在论文的完成过程中，还得到了缪龙秀教授、谢基龙教授、孙守光教授、刘 志明教授、任尊松副教授以及王文静老师的关心和指导，他们对本人的论文工作 提出了许多有建设性的意见和建议，使本人受益非浅。 此外，本人还得到了王斌杰博士、徐济松同学、王盛楠同学、王丹月同学、 郑小艳同学、自立国同学以及博士点其他同学的帮助。在此谨向各位老师和同学 表示感谢! 最后，衷心的感谢多年来支持、关心、帮助我的家人和朋友! 他们的理解和 支持使我能够在学校专心完成我的学业。 n 北京交通人学颂 譬饭论文1 绪论 1 1 课题背景 1 绪论 暇酊，我国铁路货车正在向大型、重载方向发展，发展铁路重载遮输是解决 我霞警纛铁路爨遮量大睡度增长与运髭不稳适应豹一瑗裰本疆藏。我璐已实现了 在繁忙干线上歼行1 6 0 k m h 的掇速客车，又- 丌行了5 0 0 0 吨缴重载列擎。随着运输 铁路客车进一步提速，在客货混跑的既有线路上，为了提高铁路的运输能力和运 率，5 0 0 0 t 级重载列车戆提速势凌必行玎】。“十五”羯闼萼冬全嚣开行霹逮1 2 0 k m h 、 5 0 0 0 t 编组的货运列车。 由于旧型制动机和钩缓装搿在货车中还占较大比例，客观上阻碍了重载列车 的提遮。随着我图铁路技术装备的发展，特别是毫强度车镑、大容量缓冲器、提离 摩擦瓣数豹合成闲嚣、空重举冤缀鑫动调整装置等适应掇逶运行耱关键帮 隼豹磷 制成功，为货车摁速至1 2 0 k m h 提供了强有力的技术支持。但同时也颟临新的问 题。货车现行结构强度设计规范和试验标准尚不完善，特别是缺少符合我国实际 运翔象终戆疲劳强凄设诗援蕊鞠试验耘疆。上整纪丸十簪健逮曾经妻壤，测试过 1 3 母车钩的载荷谱，积累了不少经验，但当时的牵引吨位和运行速度与7 0 吨级货 车的运行条件相麓甚远。因此聪新我国货车结构的强度设计规范和试验标准，已 成为项菲常紧邋的工 乍。 隧著弼车运稃速度和列车慧耋的缮葫，作为货车懿零萼 连接摹元，车锈缓冲 装置的受载情况随着列车重载丽变得更加恶劣，为保证列车安全运行，编制出实 际线路的车钩纵向载荷谱，作为估算车钩以及牵引缓冲装嚣构件的疲游寿命，是 一个分遥甥懿漾遨。 通过在车钩钩体上粘贴电阻应变片，形成测力车钩，可以记录列车在各种典 型置况下车钩载荷时间历程，将测得的率钩这些有限次数，简化成能反映车钩 在整个镬用翅限内其有代表性魈典型载萄谱。 1 2 国内外研究状况 蹩载运输带来的一系列阀鼷，一直受到馓界铁路专家的关注。美丽曾于8 0 年 代采用线路实测的方法对力吨( 9 0 0 0 吨) 煎载列车的车钩载荷谱进行深入细致的 北京交通人硕 ：学位论文 1 绪论 研究，并将研究结果纳入a a r 机务规程，为重载列车的设计提供依据。我国上海 铁道学院分别于1 9 8 8 年6 月和1 2 月在机械保温车上装置车钩载荷谱数掘采集系 统，编组货物列车，组织了上海一深圳和k 海一齐齐哈尔两条线路货物列车1 3 号 车钩载荷谱的现车测试，编制1 3 号车钩程序载荷谱，并在此基础上分析1 3 号车 钩的疲劳可靠性。 1 3c 7 0 通用敞车简介 为适应我国既有铁路线路、桥梁的实际承载能力，加快铁路装备现代化进程， 满足铁路货车由6 0 t 向7 0 r 的升级换代要求，齐齐哈尔铁路车辆( 集团) 有限公司 于2 0 0 3 年开始7 0 t 的新型通用敞车工作图设计、小批量试制及各项性能试验工作， 并于同年6 月通过了样车的部级审查，定型为c 7 0 。该车载重7 0 t ，自重2 3 8 t ，主 要用于装运煤炭、矿石、建材、机械设备、钢材及木材等货物的通用铁路车辆， 除能满足人工装卸外，还能适应翻车机等机械化卸车作业，并能适应解冻库的要 求f 矾。 1 3 1 车钩缓冲装置 车钩缓冲装置作为车辆最基本也是最重要的部件之一，是用来连接列车中各 车辆使之彼此保持一定距离，并且传递和缓和列车在运行中或调车时所产生的纵 向力和冲击力的。车钩缓冲装置是由车钩、缓冲器、钩尾框、从板等零部件组成。 在车钩缓冲装置中，车钩的作用是用来实现机车和车辆或车辆和车辆之间的连挂 和传递牵引力及冲击力，并使车辆之间保持一定的距离。缓冲器是用来缓和列车 及调车时车辆之间的冲撞，吸收冲击动能，减小车辆相互冲击时所产生的动力作 用。从板和钩尾框则起着传递纵向力( 牵引力或冲击力) 的作用f 3 】。 c 7 0 通用敝车采用了e 级钢1 7 型车钩或铁道部批准的新型车钩、配套采用1 7 型铸造或锻造钩尾框、合金钢钩尾框、m t - 2 型或新型缓冲器、含油尼龙钩尾框托 板磨耗板。钩尾销托梁、钩尾框托板、安全托板采用b y - b 型或f s 型防松螺母。 1 3 2 制动装置 为使列车能施行制动和缓解而安装在列车上的一整套设备，总称为列车制动 2 北京窝通人颁卜舡论文i 绪论 装鼹。列车的制功装置的功熊爱在需要箨毒；成凋速时，掇供停车所鬻的力，以达 至l 躐透或停车瓣ll 钓。主要蠢制动瓿稻基硪涮动装甏两部分。 c 7 0 通用敞车采用制动主管压力满足5 0 0 k p a 和6 0 0 k p a 的空气制动装置，主要 由1 2 0 型控制阀、直径为2 5 4 m m 豹整体旋瓜密封式制动瓤、s t 2 2 5 0 型双向闸瓦 溪骧叁动溪整瑟、k z w - a 鍪窆羹车叁动调整装霉、货车麓辘割动装甏簿缝或。采 用编织制动软管憩成、奥一贝球铁衬套、高摩擦系数合成闸瓦、不锈钢制动配件和 管系。手制动装鬻采用n s w 型手制动机。 1 4 本论文所做的工作 零文投蠢货攀运麓孛熬载芬特轰，参照美鞫a a r 枫务麓莛夔载夔漾，在线路 实测数据的基础上，结合相应的调研工作，编制出在我国货车实际运用祭件下的级 向裁荷谱。具体能括： 1 ) 级囱载蕊的测试 透过在车钩镑钵上秸赡疲变背，构成测力车钩，记秉1 2 0 k m h 、5 0 0 0 隆列车 在线路运行中各种典型工况下不周断面的纵向载荷以及不同车辆编组溜放作业的 纵向载荷。 2 ，试验数据我处瑾 采用雨流计数法，对试验测试的货车率钩的载荷一时间历程进行统计计数，建 立双参数的方阵数据表格，为编制车钩纵向裁荷谱提供予样数据。 3 ) 载蘅落豹缡铡 参照美国m r 税务巍范环境载蘅谱，缀攒货车缴囱受力状况，将缎尚载荷分 成溜放等工况，并依据机车运行监控装置和驼峰编组作业工况的调套统计数据， 编制在我国货车遐行条件下的纵向载荷谱。 妨1 6 型铸造镑滗框夔寿鑫谤算 根据车钩的安测载荷一时阅历程所编制的载荷谱，利用线性累计损伤方法 ( m i n e r 法则) ，计算1 6 型铸谶钩尾框的寿命，并与用a a r 载荷谱计算的寿命结果 避行转拆对比，瑷判定本文缓谤方法豹合理援帮正确性。 3 北京交通人f 硕十学忙论文2 裁荷谱的测试 2 载荷谱的测试 由于组织一次随车实测动应力很麻烦，费用也很高，困此，不可能在每条线 路上都进行测试，每次测试的罩程也不可能无限长，所以u r 以通过试验测出动应 力，再进一步分析数据可得出载荷谱1 4 j 。 试验采用i m c 数据采集处理系统及配套设备，全程连续采集数据信号，得到 各个测点应变一时间历程。通过标定试验所得出的标定系数，将各个测点的应变 一时间历程转变为载荷一时间历程。再采用“雨流计数法”对实测的载荷一时问 历程进行统计分析。得出不同工况的载荷样本谱，并以此作为基础，运用统计分 析方法，编制货车纵向载荷谱。 本实验室专门组织了1 2 0 k m h 、5 0 0 0 吨的重载列车在丰台西一衡水西之间的 进行线路实测，在测试中专门设计了各种紧急制动、常用制动、缓解等工况，这 些工况基本覆盖了列车正常运行可能出现的工况，为以后编谱工作提供了基本的 数据支持。 2 1 测力车钩的原理 以电阻应变片组桥制成测力传感器( 钩身左右两面的应变片组成一全桥) ，利 用电测应变法通过传感器获得测力车钩变形，再根据静力标定曲线获得车钩载荷。 在钩身左右两侧面纵向轴线上布一工作片，工作片邻近处与纵向轴线相垂直 方向布一温度补偿片，左右两侧面上应变片组成一个测量全桥，传感器布点及组 桥如图2 1 、图2 - 2 所示。 幽2 - 1 传感器布点幽 f i g 2 一i n s o rc l o t hm a p 4 r 为工作片 k 为补偿片 北糸交通人。硕十：学能论文2 载衍谱的测试 幽2 - 2 测苗全桥组接示意图 f i g 2 2m e a s u r e m e n tf u l l - b i l g eg r o u p 2 2 纵向力的测试方法 通过测力车钩测试纵向载荷谱。 p p 豳2 - 3 测力车钩标定 f i g 2 3 t h e c a l i b r a t i o n o f c o u p l e r u s e d f o r f o r c e h l c a s u r e 标定时，对车钩施加载荷p ，在1 断面的应力测试值为s ，。设车钩的实际载 荷为只，在线路运行中，1 断面的实测应力值为，通过下式即可得到只： 等只2 q j 只2 丢尸 测力车钩静力标定试验在齐车公司进行，共准备了8 个车钩，对其车钩标定 数据进行拟合。如1 3 3 2 号车钩拟合结果如下图： 北京交通人中颀卜节付论文 2 找衙谱的测试 图2 - 41 3 3 2 号测力乍钩数据拟合结果 f i g 2 - 4 t h e f o r c e m e a s u r e m e n tc o u p l e r o f n o 1 3 3 2 d a t a s f i t t i n gr e s u l t 同样可拟合出其他车钩的静态标定值，其结果如下表： 表2 - 1 车钩的静态标定值( 单位：t i t ) t a b 2 一ic o u p l e rs t a t i cc a l i b r a t i o nv a l u e s ( u n i t ：t ，p e1 车钩号1 3 3 2 2 6 4 l2 6 1 52 4 1 9 k1 1 0 31 1 7 81 3 9 8 1 1 8 2 车钩号 7 6 62 5 7 71 4 1 72 5 9 9 k1 1 0 71 2 1 41 1 1 91 1 1 3 2 3 纵向载荷谱主要测试工况 为了获得编谱所需的样本，我们设计了各种制动、缓解、停车以及驼峰作业 工况。主要测试工况有：( 1 ) 各种速度等级下的制动、缓解、停车工况；( 2 ) 驼 峰工况； 2 3 1 线路运行中的测试 ( 1 ) 试验车辆 选用7 辆c 7 0 通用敝车作为试验车辆，均换装测力车钩。 ( 2 ) 试验列车的编组方式 6 北京交通人学硕i j 学侮沦文 2 裁f ：孑谱的测试 试验列车为5 0 0 0 吨编组，不装牵引f r ，全部车辆按标记载重装载。全列车共 计5 3 辆c 7 0 敞牟，挂一辆试验车。 根据铁科院研发中心的1 2 0 k m h 、5 0 0 0 吨牵引纵向动力学仿真结果1 5 l ，采取了 等间距布置方式，布置了7 个测力车钩。7 辆换装测力车钩的c 7 0 敞车分别挂于机 车后的第1 位、第5 位、第2 l 位、第2 8 位，第3 4 位、第4 9 位、第5 3 位。 返程时机车和试验车换位，丰台西一衡水西和衡水西一丰台西测试列车的编 组方式如图2 5 、图2 - 6 所示。 回叵五团圆圈匦圊 3 辆 1 5 辆 匦困回回匦困回固匝固 、- 、。一 6 辆 5 辆 回固匦困 - _ _ _ _ _ _ _ _ 。、，- - - - - - 一 1 4 辆3 辆 图2 - 5 去程编组方式 f i g 2 - 5t h ei n e a n t ot h ew a y 固困园圆团困 、- _ _ _ - _ ，- ，_ - - ，、_ - _ 1 。， 3 辆 1 4 辆 团匝困团 5 辆 1 5 辆 ( 3 ) 试验工况 6 辆 3 辆 图2 - 6 回程编组方式 f i g 2 - 6t h em e a nf r o m t h ew a y 匕糸交通人学颁f ：。付论芟2 裁荷谱的测试 试验线路 试验线路选撵京丸线( j l 京铁路筋管肉豹丰台西一畿承遥送段，荦耧2 7 3 公晕) 。 试验速度 直线试验速度：最高1 1 8 k m h 。 京动工嚣窝缓瓣王嚣 测试工况分紧急制动，常用全制动和缓解。紧急制动和低速缓解的最低速度 按现行“操规”规定，实际试验时的最低速度按实时监测的结果确定。 紧急毒l 动劾逮度分9 个遮度等级：1 1 5 - 1 1 8 k m h 、l o o k m h ，9 0 k n v h 、8 0 k m h ， 7 0 k m h 、5 0 k m h 、4 0 k m h 、3 0 k m h 、2 5 k m h 。每个速菠等级测试2 次。 常用全制动初速度分5 个速度等级：1 1 5 1 1 8 k m h 、l l o k m h 、l o o k m h 、8 0 k m h 、 6 0 k m h 。每个速度等级测试2 次。 低速缓解耪遮度势4 个遽溲等缓：8 0 k m h 、5 0 k m h 、4 0 k m h 、3 0 k m h 。每个 速度等级测试2 次。 2 3 2 调车驼峰 睾韭的溅试 ( 1 ) 试验车辆 遥爱按装7 溅力车锈戆3 辍c 7 0 逶矮黻擎。 ( 2 ) 试验车辆编组方式 试验车辆以单辆车和成缀萃辆编挂向组车辆溜放，溜放车辆均为重车，弗 按栋遮载重装载。下图表示测力车钩在测试车中熬位置。 图2 - 7 测力车钩在测试车中的位鬣 f i g 2 - 7t h ep o s i t i o no f t h ef o c et e s tc o u p l e ri nt h et e s to p e nw a g o n 试验车辆编缎方式可用下表表示： 3 北糸交通人学硕 学位论文 2 栽衙潜的测试 表2 - 2 调l ：鸵蜂终北枣辆编组方式 t a b 2 2t h eo r g a n i z a t t o nw a yo f v e h i c t ei nt h es w t c h y a r d 试验序列 调节鸵峰作业乍辆编组方式 i t 辆测试乍 2 2 辆瓣斌葶 3 3 辆测试申 4 6 辆测试乖 5 1 3 辆其它车+ 6 辆测试车 6 9 辆其它车+ 6 辆测试车 7 6 辆测试车+ 1 3 辆篡它车 8 6 辆测试车+ 9 辆葜它车 ( 3 ) 调车驻蜂俸渡溶放试验速度 溜放试验速腋取入口速度在4 - 7 k m h 。 ( 4 ) 试验过程 塔上述表2 - 2 瓣编挂嚣形皇稳一缓车淫放，每嚣工嚣测试2 逮。 2 4 本章小结 本章介绍了列车纵向载荷的测试方法，以及主要工况载荷的测试。测试所得 到的裁荷，可为编制纵向载荷谱提供原始的数据。 9 北京交通人学硕卜学侍论文3 载衙嘴的数据处理 3 载荷谱的数据处理 只有在承受交变应力作用的条件下，疲劳j 。会发生。所谓交变应力，是指随 时间变化的应力，更一般地，也可称为交变载荷。这里载荷是一个广义的概念， 可以是力、应力、应变、位移等。载荷随时问的变化可以是有规则的，也可以是 不规则的，甚至是随机的【“。列车在线路上行驶，车钩承受的载荷是随机的。 描述载荷大小及作用频次变化关系，称为载荷谱。由应力给出的载荷谱称为 应力谱，相应地，还有应变谱、位移谱、加速度谱等。随机载荷谱给出了载荷随 时间任意变化的情况，也称为“随机载荷一时间历程”。载荷谱，一般都是通过 典型工况实测得到的。 为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所必 需的全尺寸结构和零部件的疲劳试验提供试验载荷，都必须有反映真实工作状态 的疲劳载荷谱。由于实测的应力一时间历程的随机性、真实工作状态干变万化， 以及为了分析和实验方便，压缩实验时间，都必须通过处理和分析把实测应力一 时间历程加以简化，简化成能反映真实情况具有代表性的“典型载荷谱”。通常的 做法是简化成“程序加载”。所谓程序加载就是按一定程序施加不同循环次数的不 同幅值的载荷循环【”。对于铁路车辆，往往根据一列单元列车长期大量的实测数据， 如a a r 作法，所产生的载荷谱作为“典型载荷谱”。将实测应力一时间历程通过 处理和分析，简化为典型载荷谱的全过程称为“编谱”。 由于我国目前5 0 0 0 吨牵引、1 2 0 k m h 货车尚未开行，只能有特别组织的试验， 获得各种典型工况下的车钩载荷时间历程，以此作为样本，根据运行监控器的统 计工况，推断出载荷分布的变化规律。 众所周知，应力或应变的幅值和循环次数是引起疲劳的疲劳的主要因素，因 此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤的原则，将随机的应力一时间历程简化成 一系列的不同幅值的全循环或半循环。这一简化过程称为“计数法”。目前，已有 的计数法有十余种之多。同一载荷一时间历程用不同的计数法编制出的载荷谱有 时会差别很大。当然，按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验，也会得到不同的 结果。本文采用的是目前国内外较为通用的雨流计数法。 北京交通人学碗i 似沦文3 钱衙瞄的数据处理 3 1 雨流计数法的原理和计数规则 构件的疲劳受控于塑性变形量，它决定于载荷一时问历程中各种载荷幅值的 大小及其发生的频率，一种好的计数法应陔能把载荷一时日j 历程中从最高峰到最 底谷值记为一个循环，并在进行其他循环计数时能最大眼度地加大已经计数过的 幅值【8 】。目l i ，雨流计数法是国内外应用最为广泛的方法。这是由于阿流计数法具 有以下几个优点：将载荷的统计分析与材料的疲劳特性建立起一定的联系。更 易于为人们接受；这种双参数的计数法既能统计趋势，又不遗失小的交变信号； 使载荷一时i 自j 历程的每一部分都参加计数而且只计数一次；便于计算机处理， 实现数据处理的自动化。经雨流计数法处理后就可以得到载荷幅值、均值和相应 频次的重要关系。该方法是由m a t s u i s k i 和e n d o 等人考虑了材料应力一应变塑性 行为而提出的一种计数法，其塑性性质表现为应力一应变迟滞回线，有一定的力 学依据，如下两图表示雨流计数法的力学依据： l 十 6 2 a 删2 ，绂 一 龄7 一t 酗3 1 ( a ) 应变一时间历程 f i g 3 l ( a ) s t a i n - t i m ep r o c e s s 北京变通人学硕 4 爷俯论文 3 裁茼谱的数据处理 v j 朗 一 名 罗 ，以 s | 3 t _ 隧3 - 1 ( b ) 应力藏变滞阿曲线 f i g 3 一l ( b ) s t e s s - s t a i nh y s t e r e s i sc u r v e 如图3 1 ( a ) 所示载荷一时间，按爵流计数可得到两个小循环2 3 2 ，5 十5 ，戳及一令太锤巧l 争唧，与荬袋一对痤豹纛秀一瘦交遮游霞线手嚣 3 一l ( b ) 。 雨流法就是将成对的边稷含并成完整的循环后进行计数的，所以它和疲劳损 揍掇遴穗唆合。它考虑了矮环豹交程巍均壤这秀令参数，掰以，枣滚诗数法是以 变程和均值双参数为基础的计数法。 p ( 载荷) c 乏 | 。 一 翕c l 季 _ 卜l 譬 h n ： 户， n t ( 时问) 1 2 北康交通人学硕1 ：学仲论文 3 裁荷谱的数据处理 p ( 载荷) q b 。一 c n p ( 载荷) h n f b c 户 t ( 时间) 图3 - 2 幽3 2 雨沉计数法的原理 f i g 3 - 2t h ep r i n c i p l eo f r a i n f l o wc o u n t i n g 雨流计数法就是基于上述原理进行循环计数的。如图3 2 所示，取时间为纵坐 标，垂直向下，应力为横坐标，水平向右，应力时间历程形如一宝塔屋顶。设想 雨滴以峰、谷为起点向下流动，根据雨滴流动的迹线确定应力循环。雨流计数规 则：雨滴从峰谷值的内侧往下流，凡起始于波峰( 谷) 的雨流遇到比它更大( 绝 对值) 的峰值( 谷) 便停止。另外，在雨滴流动过程中，凡遇到上面流下来的雨 滴时也就停止。按上述雨滴流动的起点和终点，可以取出所有的全循环，记下各 自的幅值，直至剩下的载荷一时间历程均不能相配成对的半循环为止，即发散收 敛型。这就是雨流法第一阶段计数。将经过第一阶段计数后剩下的发散收敛型载 荷一时间历程改造成收敛发散型，一种简便可行的办法是：在最高波峰或最低波 谷处将波形截成两段，使左段起点与右段终点相连接，构成发散收敛型，再进行 雨流计数，这就是第二阶段计数。雨流法统计的总循环数即为第一、第二阶段计 数之和。 按上述雨流法规则，对图进行统计，可得到两个全循环d - e f - d 和f g - f ，剩下 的还不能配成对的半循环：a - b ，b c ，c - h ，h - m - n ；再将这写半循环改造成收敛发散型 进行第二阶段计数，如图。又可得到两个全循环：h - m - c - h 和m - b - m 。因此，图所 示载荷一时间历程经雨流法计数统计所得的全循环数为两个阶段所得的全循环数 之和。 对于冗长的载荷一时白】历程，若用手工按雨流计数法原理处理，显然十分复 杂，而且是不经济的，一般可将雨流法编制成计算机程序进行自动处理。本文采 用的是本实验室以四峰谷值比较法编制的软件，对实验所测得的数据进行处理。 1 3 北京交通人学硕 一学付论文 3 载简满的数据处理 3 2 无效幄值的誊骆 个实测的随机载荷谱彼往由很多尉綮形成。除受熏要的工作载荷以外，还 鬻受到一些次要黔载萤作用，这些载萄袭琨为二级波、三缓波7 ，至一黪裹玲奎量 循环，对这些不熊稳成疲劳损伤的小董褥环，一般称为觉效幅馥。旋送行载蓊一 时间历程计数时。应该将无效幅值舍弃。 在实测记录的车钩载荷一拜寸间历程波形中，包含有许多小蝠值的循环，它们 对警锈疲舅蔟饶不会毒影鹃，掰戳，在数攒楚瑾嚣瘟予渡 l 蒌除，否瓣瓣车钩寿会 的计算和疲劳试验带来不必要麻烦l 射。无效幅值的取值究竟应控制在多大范围，现 在尚无统一的规窳。目前，豳内外文献提出以下两种方法：( 1 ) 无效幅值取随机 载穆历程豹援羞( 袋大应力幅袋夸应力冁辫5 1 0 ，瞧畜文献认必应取 0 - 1 2 5 ；( 2 ) 无效幅值规定取榜料疲劳瓣隈信的5 0 。本文无效幅德采取第一种 方法，取载荷一时间历程最大幅值的5 3 3 载荷谱的数据处理 试验测缛豹带钩缴向载荀一对趣历程怒一段十分冗妖豹波形r 黪按蹲滚法援 剐谶行手工处理，鲥菲常麻颓，置容易密稽，本文采用零实验室编写的“工程结 构数据处理与疲势强度评估系统( j p l a s ) ”数据处理工鼹软件，对试验的数据进 行处理，可得到激似表3 - 1 的方阵数据表： 穷阵瘫静数字帮表示测试瓣菜钩霞霹痰攘值窝鹭蘩貔载焚疆嚣簇次，表孛第 一舒代表幅值，第一列代表均值，其他行剐表示循环次数。表中将幅值和均值分 成1 3 组，其幅值组距取大概1 0 t 。表中第一行代表幅值，单位为t ：第列代表均 馐，纂位为t 。铡鼢耀蓬为9 ，9 t ，均嬗为- 2 9 7 t ，对应豹循环次数为2 ；蝼僮为2 9 t 3 | ， 均落为1 5 4 l ，对斑的循环次数为l o 等等。袭3 1 提供了这类随机载葡时闯的幅使 和均值两个参数的统计资料，利用这些资料就为后面编制载荷谱原始提供数据。 对其他钩位的试骏数搀采用同榉的处理方法。 北京交通人学硕f j f = ：论文3 载抽谱的数据处理 表3 - 1 某钩f i = 二维疲仿载荷分组数据 t a b 3 1at w o - d e m e n s i o n a lf a t i g u el o a dh o o k - p a c k e td a t a 9 9 1 9 62 9 33 9 0 4 8 ，75 8 46 8 17 788 7 59 7 21 0 6 9i | 6 61 2 6 f 3 5 9 84 0 000 000 0o ，0 00 0 00 0 000 00 0 0 0 0 00 0 0 o0 00 o o0 0 0 埘8l0 00 ，0 00 ，o o0 0 0 0 0 00 0 000 00 0 00 0 00 0 00 0 000 000 0 - 2 9 72 0 02 0 00 0 00o o0 0 0o 0 000 00 0 00 0 0o o o 0 0 00 0 00 0 0 1 4 ，76 4 0 00 0 00 0 00 ，0 0o 0 00 0 00 0 00 0 0o 0 00 0 00 0 000 0 0 0 0 0 46 8 3 0 03 0 00 o o0 0 00 0 00 0 00 0 0o 0 01 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 1 5 43 0 8 6 0 01 2 ，0 01 0 0 02 1 0 00 0 00 0 02 0 00 0 0o o o0 0 00 0 0 0 ，0 0 3 0 5 5 7 7 4 0 04 9 0 00 0 020 0l0 02 0 00 0 00 0 01 o oo o o00 00 0 01 0 0 4 5 52 6 0 1 0 01 5 0 00 0 0 1 0 00 0 0o 0 0 00 0 00 0 00 0 0o0 00 0 00 0 0 6 0 64 0 9 0 03 0 05 0 00 0 00 ，0 0o 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 ，0 0o 0 00 ，0 0 7 5 61 4 3 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 9 0 75 0 00 0 00 0 000 0 o 0 0o 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 1 0 5 82 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0o 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 0o 0 0 1 2 0 8i 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0o 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0o 0 0 3 4 本章小结 本章介绍了雨流计书数法的原理和规则，对于车钩这一类随机载荷一时间历 程，采用雨流法进行循环计数，具有概念清楚、便于理解和掌握，也便于编制计 算机程序实现自动统计等特点。经统计计数得到车钩力的幅值均值频次表，可为 编制纵向典型载荷谱提供子样数据和资料。 北京交通人学硕卜何硷殳4 裁荷谱的编制 4 载荷谱的编制 发展我国重载列车运输尚需解决许多技术| 口j 题，其中确定车钩及牵引装臂的 疲劳寿命是保证重载列车安全可靠运行的关键之。为了预测其寿命，在试验钡4 试记录列车运行中典型工况下的载荷一时日j 历程的基础上，经过一系列统计处理， 编制出载荷谱，作为估算车钩以及牵引缓冲装置构件的疲劳寿命，这是近代研究 结构疲劳寿命的最新方法。 编制载荷谱研究构件或结构的疲劳强度，在航空、农机和化工等部门已经有 多年的历史，在国内外已取得不少成功的经验，但在我国铁路上，这方面的研究 工作刚刚开始。 目前在编制载荷谱时一般采用两种方法：一种是常均值载荷谱，即波动中心 法，认为所有的载荷变程均围绕同一均值上下波动而编制的载荷谱。常均值载荷 谱国内外已经进行了大量的研究、应用，目i j 已趋于成熟。另一种是变均值载荷 谱，即把载荷变程和均值均作为变量，认为各载荷变程和均值各以某一函数变化 而编制的载荷谱。一般认为，变均值载荷谱较常均值载荷谱谱更能反应实际受载 更能反映实际受载状况，是载荷谱研究发展方向，但理论比较繁复【9 1 。本章采用美 国机务a r r 标准( 1 9 9 3 ) 版本的货车设计分册所提供的一种载荷谱的编制方法，编 制了货车纵向载荷谱。 4 1 载荷谱的编制方法 4 1 1 波动中心法 如果把载荷幅值和均值视为二元随机变量，则将会使统计分析变得十分复杂。 因此，目前国内外常采用“波动中心法”，以简化为一元随机变量( 幅值) 问题。 求所有载荷循环均值的平均值，该值即为波动中心。以波动中心作为载荷循环的 静载部分，幅值作为动载部分，将幅值叠加于波动中心之上。这样，把波动中心 视为固定参数，代替所有循环的均值，这样就无需考虑均值的分布。 利用表3 - 1 的数值，很容易求得总平均值，现列表计算如下： 6 北京交通人学硕卜学f f 沦艾4 载甜谱的编制 辰4 - 1 疲7 载荷幅值的均值，频数 t a b 4 1t h ea m p l m t u d ea n dm e a nv a l u eo ff a t i g u el o a dw i t hf r e q u e n c y 均值s 。频数v ts 。v t - 5 9 842 3 9 2 - 4 4 81 _ 4 4 8 2 9 741 1 8 8 1 4 76 4- 9 4 0 8 0 46 8 7 2 7 4 8 1 5 43 1 1 34 7 9 4 0 2 1 7 7 8 3 0 55 8 3 01 7 7 8 1 5 4 5 52 6 1 711 9 0 7 3 5 6 0 64 1 7 2 5 2 7 0 2 7 5 6 1 4 31 0 8 1 0 8 9 0 754 5 3 5 1 0 5 822 1 1 6 1 2 0 8l1 2 0 8 1 2 8 8 8 3 8 0 6 2 6 8 求得总平均觚：翌3 8 0 6 2 6 8 2 4 求得总平均值& 2 i 2 面矿2 2 9 5 4 u 1 2 5 5 5 已知波动中心最后，再考虑幅值的分布。根据表3 - 1 的数值，将幅值频数列 于表4 - 2 中。幅值组限由幅值的中值确定。已知总频数= 1 2 8 8 8 次，频数除以 总频数等于频率。将频率各数值自下而上累加，即得超值累计频率，( a p ) ( 大于某 一幅值下限的累积频率) 。 1 7 北京交通人学硕十学化论文4 载荷谱的编制 表4 2 分组后的疲劳载荷幅值的中值与频数 t a b 4 - 2t h ea m p l i t i t u d ev a l u eo f f a t i g u el o a dw i t hf r e q u e n c ya f t e rg r o u p p i n g 幅值 频数v i频率( ) 超值累计频率f ( a p ) 9 91 2 7 7 59 9 1 2 3 21 0 0 1 9 68 4o 6 5 1 7 70 8 7 6 8 2 9 3 1 5 o 1 1 6 3 90 2 2 5 0 3 3 9 050 0 3 8 8 00 1 0 8 “ 4 8 72 0 0 1 5 5 2 0 0 6 9 8 4 5 8 42o 0 1 5 5 20 0 5 4 3 2 6 8 1 00 0 0 3 8 8 0 7 7 820 0 1 5 5 20 0 3 8 8 0 8 7 5 2 o 0 1 5 5 20 0 2 3 2 8 9 7 2o o o 0 0 7 7 6 1 0 6 9o0o 0 0 7 7 6 1 1 6 6o 0 0 0 0 7 7 6 一一一 1 2 6 3l0 0 0 7 7 60 0 0 7 7 6 4 1 2 变均值法 波动中心法一般适用于对称型载荷一时间历程。但是，对于非对称型载荷一 时间历程，还应考虑载荷均值的变化，从而发展变均值法。 变均值法是以相同的幅值作为一组，采用各个“组平均值”。利用表3 - 1 雨流 计数法的处理结果，可以列出幅值一均值频数表。表中按幅值大小共分为1 3 组。 每一列中的频数的和即为组频数，组平均值为以频数为权的加权平均值，如第4 组的组平均值等于 1 5 4 x 2 + 3 0 5 x 2 + 4 5 5 1 一= z ) 2 + 2 + 1 这样，可得组平均随幅值的变化曲线，以取代总平均值。再将幅值叠加于组平 均值曲线之上 北京交通人学