（载运工具运用工程专业论文）c70铁路货车轮轴疲劳可靠性分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 c 7 0 货车是中国的主型铁路货车，其轮一轴失效关系到铁路运输安全。本 学位论文以线路测试载荷为基础，研究轮一轴的疲劳可靠性。 应用测力轮对获得线路轮轨接触力数据，区分工况，采用二次多项式回归 法，获得了相应的轮一轴疲劳应力谱。 研究了制动导入的车轮热应力，按服役工况将热应力与机械应力偶合，获 得了轮一轴相应的服役疲劳应力谱。 应用s n 曲线+ m i n e r 损伤法则，完成了轮一轴疲劳当量应力计算以及可靠 性寿命预测。 该项工作探索了利用轮一轨测试力完成对铁道车辆轮一轴的疲劳可靠性分 析的方法。 关键词：c 7 0 货车；轮轴结构；轮轨接触力史；概率分析；疲劳寿命 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t c 7 0t y p ef r e i g h tc a ri sam a i nk i n do fo p e r a t i o n a lf r e i g h tc a ri nc h i n a w h e e l s e t i st h em a i ne l e m e n ta f f e c t i n gi t so p e r a t i o n a ls a f e t y p r e s e n tw o r ke x p l o r ei t sf a t i g u e r e l i a b i l i t ya p p l i e dt h eo n l i n ei n s p e c t i o nd a t ao fw h e e l t r a c kc o n t a c tf o r c ed a t a f o l l w i n gw o r kw e r ep e r f o r m e d f i r s t ，s q u r e sp o l y n o m i a lr e g r e s s i o nm e t h o dw a sa p p l i e dt oc o n v e at h eo n - l i n e w h e e l - t r a c kc o n t a c tf o r c ed a t ai n t os t r e s ss p e c t r u mo ft h ew h e e l s e t t h es e r v i c e c o n d i t i o n sw e r ed i s t i n g u i s h e da n dt h es q u r e sp o l y n o m i a lr e g r e s s i o ne q u a t i o na r e e s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l yb yt h ec o n d i t i o n s t h es t r e s ss p e c t r u mw a ss u m m e du po fa l l c o n d i t i o n s e c o n d ，t h et h e r m a ls t r e s so fw h e e lb yb r a k ew a sf u r t h e r l yc a n c u l a t e da n d i n c o r p o r a t e di n t ot h es t r e s ss p e c t r u mo fw h e e l s e tb yt h er e a l i z e ds e r v i c es i t u a t i o n s t h i r d ，f a t i g u ee q u a v e l a n ts t r e s sl e v e la n dr e l i a b i l i t yl i f ew e r ep r e d i c t e db yt h e s - nc u r v e p l u sm i n e r sl i n e rc u m u l a t i v ed a m a g er u l e p r e s e n tw o r kh a se x p l o r e dt h ef a t i g u er e l i a b i l i t ya n a l y s i sa p p r o a do fw h e e l s e tb y t h ew h e e l t r a c kc o n t a c tf o r c eh i s t o r y k e yw o r d s ：c 7 0t y p ef r e i g h tc a r ；w h e e l s e t ；w h e e l - t r a c kc o n t a c tf o r c eh i s t o r y ； p r o b a b i l i s t i ca n a l y s i s ；f a t i g u el i f e 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下，课题组协作进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 以线路实测轮轨力为依据，考虑各种运行工况，通过建立起载荷谱与结构 局部材料变形之间一种非线性的传递关系，采用二次多项式回归法拟合该传递 函数，将线路实测载荷时间历程转化为结构关键部位疲劳应力谱。考虑热应力 对车轮疲劳损伤的贡献，以热应力和机械应力叠加方式将制动热应力纳入车轮 疲劳可靠性分析。 学位论文作者签名： 日期： 冯蠼色 。呷占j 7 r 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囹，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者躲玛水 日期：2 。叩，占- 7 指导老师签名：盏扣豹习 日期：钞印占、7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 世界铁路经过1 0 0 多年的发展，各国从国情出发，对铁路在本国交通运输 业中的地位都有了较为客观的重新认识。而世界铁路科技却在不断进步，客运 高速、货运快速与重载是基本的特征。从货运速度来看，北美快运货车速度可 达1 2 0 k m h ，个别区段达1 6 0 k m h ；欧洲发达国家致力于提速技术的开发与应用， 快运货车速度一般达到1 2 0 1 6 0 k m h ，已出现2 0 0 k m h 以上的高速货车【l 】。从载 重来看，重载运输技术的经济性得到各国的认识，是国际公认的铁路货运发展 方向1 2 巧j 。从1 9 7 8 年第1 届国际重载大会的召开到现在，重载运输从概念的提 出到蓬勃发展经历了技术不断进步的过程。其中，提高轴重是重载运输采用的 一项重要措施，是降低运行成本最有效的办法之一。重载运输的标准之一是轴 重在2 5 t 以上。1 9 9 0 年以后，美国所有一级铁路都要求能开行轴重达3 3 t 的车 辆；6 5 的车辆采用f 轴( 轴重2 9 。8 t ) ，部分采用g 轴( 轴重3 5 7 t ) ；车辆平均载 重为8 4 3 t 。1 9 9 5 年，加拿大一级铁路标准要求能开行轴重达3 3 t 的车辆。澳大 利亚b h p 重载铁路的轴重已经提高到3 5 t ；巴西卡拉齐斯重载铁路的轴重已经 达到3 0 t ；南非重载铁路已经达到2 6 t ( 窄轨) ；瑞典重载铁路已将轴重由2 5 t 提高 到3 0 t ；俄罗斯铁路部门正在将货车轴重提高到2 7 t ，并且在加紧研究适用于3 5 t 轴重的轨道零部件；欧洲一般采用2 2 5 t 轴重车辆，正向2 5 t 轴重过渡；印度铁 路从2 0 0 1 年开始将重载列车轴重提高到2 5 t 。 作为我国国民经济的一条大动脉，铁路货运承担了全国近7 0 的中长距离 运输和大部分国防与战备物资的运输任务 1 6 】。改革开放以后，在我国国民经济 飞速发展的大形势下，对铁路客、货运输提出了急迫的技术发展要求。据统计【7 j ， 国铁总营业里程约为7 7 万k m ，占世界铁路的6 ，完成的货物运输量却达到 世界铁路总运量的2 4 ，由此可见，我国铁路早已成为世界上最繁忙的铁路之 一。在提出铁路宏伟发展规划的同时，国家针对速度低、运力不足的严峻现实 问题，自1 9 9 7 年4 月1 日起实施了世界瞩目的“铁路提速战略”。2 0 0 7 年4 月 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 8 日，我国实施了第六次铁路大提速，铁路客货运输能力分别提高1 8 和1 2 ， 并大面积开行5 0 0 0 吨级的货物列车，这必将对国民经济迅速而健康的发展产生 积极的影响瞪j 。 然而，随着货运速度与载重量的一步步提高，使得货车走行部各零部件的 运营工况更加恶劣，其疲劳损伤问题日益突出，由疲劳导致的安全事故时有发 生，转向架关键部位结构强度包括静强度和疲劳强度研究越来越成为其中的关 键课题之一。而轮轴结构与钢轨直接接触并支撑着车体重量，承受垂直作用在 踏面上的轴重和作用在轮缘上的横压，并把驱动力传递给钢轨，引导车辆运行。 列车速度的提高、轴重的增大，必然会加大轮轨间的动作用力，同时制动时踏 面所承受的热负荷也随之增大。因此作为机车车辆的重要承载部件，轮轴结构 的服役载荷和环境愈加恶劣。由于轮轴结构承受复杂的交变载荷，在这种特殊 服役环境下，轮轴的主要失效形式为疲劳断裂失效。这种基于累积损伤的失效 模式不仅在检测上难度较大，而且一旦失效将造成及其严重的破坏和损失。例 如，2 0 0 0 年，提速货车r d 2 车轴卸荷槽疲劳裂纹大量出现，2 0 0 5 年之前，先 后引发了至少6 起列车脱轨重大事故。图1 1 ( a ) 为2 0 0 4 年1 1 月6 日，湘桂线因 车轴疲劳断裂造成列车脱轨事故，中断铁路运营十余小时。2 0 0 4 年初在没有科 学办法的情况下，不得不紧急投资1 8 亿元人民币采取裂纹车轴强制替换措施。 从2 0 0 4 年至今，车轮腹板孔疲劳裂纹和钢轨裂纹也分别导致了4 次以上列车脱 轨重大事故发生。而世界铁路科技也未解决上述高速与重载列车关键部件尤其 是轮轴结构的的疲劳断裂失效问题。1 9 9 8 年6 月3 日，在德国埃舍德小镇附近， 因车轮轮箍疲劳裂纹造成高速列车脱轨，造成了1 0 1 人死亡，2 0 0 人受伤，8 8 人重伤，这是5 0 多年来德国最惨重的铁路事故( 图1 1 ( b ) ) 。2 0 0 5 年4 月2 5 日， 在日本兵库县尼崎市列车脱轨，造成1 0 7 人死亡、4 0 0 人受伤，成为4 0 多年来 日本最大的陆上交通事故。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( a ) 车轴疲劳断裂引发的典型货物列车脱轨( b ) 轮箍裂纹引发的商速列车脱轨事故 图1 - 1 典型轮轴结构失效造成的严重列车事故 为了适应我国铁路货运发展的新需要，2 0 0 6 年起，原有2 1 t 轴重货车已 停产，我国普通货车推广使用7 0 t 级新型货车【9 】，图1 - 2 所示c 7 0 货车是目前应 用最为广泛的一种。c 7 0 货车采用k 6 型转向架( 图1 - 2 ) ，轴重2 5 t ，由齐齐哈 尔车辆( 集团) 有限责任公司与美国s c t 公司联合于1 9 9 8 年开发成功，1 9 9 8 年8 月完成了样机试制并开始小批量生产，装用在c ，s e 型全钢浴盆运煤敞车上，在 大同一秦皇岛之间进行运用考验。2 0 0 2 年1 2 月，在充分借鉴和吸收该转向架运 用考验经验的基础上，定型为k 6 型转向架【1 0 - 1 2 ，适用于标准轨距、轴重2 5 t 、 商业运营速度1 2 0 k m h 的各型铁路通用货车。2 0 0 5 年8 月多种专用转k 6 型转 向架的车型完成了陇海线2 3 t 轴重货物列车综合性试验。自此，转k 6 型转向架 成为我国7 0 t 级以上货车主型转向架。在全路的7 0 t 级货车中，以转k 6 型转向 架为基础的占到8 0 左右，其余为以转k 5 型摆式转向架为基础的c 7 0 b f 货车。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 圉1 - 1c _ 7 0 货车 图1 - 2k 6 型转向架 在铁道部科技发展项目2 0 0 5 j 0 3 4 的资助下，本学位论文根据线路试验数据 研究c 7 0 货车k 6 型转向架关键结构部件轮一轴的载荷谱；应用有限元模技术 计算了其关键部位的疲劳应力；进一步结合相关材料与疲劳可靠性性能参数， 对这些部位进行疲劳可靠性分析，并估计其疲劳可靠性寿命。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 轮轨载荷谱线路试验 疲劳载荷谱是结构所受邻近物体传来随时间而变化外力的集合，具有多部 位联合交变作用的特点。获得结构的载荷谱，是进行结构疲劳分析的基础。获 取铁道车辆结构部件疲劳载荷谱的可能途径有两条：线路测试和车辆动力学仿 真。鉴于本文的研究重点，主要对线路测试研究现状进行介绍。 国际上线路测试方面做了不少研究工作，如美国a a r 机务标准手册中列出 了大量实测货车构件的载荷谱【l ”。我国也在着手开展有关工作研究，如郑小艳、 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 自立国【1 4 - 1 6 等人进行了5 0 0 0 吨编组c 7 0 货车车体以及车钩纵向载荷谱测试；张 瑞亭【1 7 】等人进行的根据线路实测获取客车车轴应力时间历程，再用有限元计算 还原作用在车轴轴颈处的载荷谱；王丹丹【1 8 】等人在转k 6 转向架摇枕底部沿中 心线对称粘贴应变片，在旁承处加装专用载荷传感器，构成了测力摇枕，进行 线路实测获取载荷谱。由于线路实测成本高，车的样本和测试距离都有限，要 实现一种多线路、甚至全国铁路运行车型的载荷谱测试，可能性很小。 1 2 2 结构疲劳应力计算 铁道车辆轮轴结构承受复杂随机交变载荷，服役环境多变，尤其是重载货 车轮轴，轴重增加和速度的提高使轮轴承受更大的动载荷。同时由于采用踏面 制动方式，其在承受机械载荷的同时，制动热载荷造成的损伤同样不可忽视。 结构疲劳应力的计算方法有解析法和有限元法。对于复杂结构，一般采用有限 元法来进行计算。在有限元计算中，依据材料参数的不同，又分弹性与塑性计 算。 从结构疲劳强度校核角度，国际铁路联盟u i c 标准【1 9 】和欧洲铁路联盟e n 标准【2 0 】详细描述了车轮设计校核方法，给出了三种机械载荷工况载荷值计算公 式以及加载位置，根据车轮旋转一周的应力变化规律确定各工况车轮危险点最 大、最小主应力，得出用于疲劳强度校核得应力均值和幅值。丁辉 2 1 1 ，米彩盈 【2 2 】和周张义【2 3 】等根据u i c 标准，计算分析了国内客货车车轮的疲劳应力幅值， 对车轮结构进行了疲劳强度校核。但上述两个标准仅是对主要载荷，许用应力 等原则问题给出了明确规定，同时在货车车轮热应力计算校核方面也没有涉及。 在制动热应力分析方面，刘云【2 4 】采用的二维轴对称模型详细阐述了紧急制动工 况下提速货车车轮的温度场和热应力场计算，但未考虑机械载荷，以及机械载 荷与热载荷耦合问题。刘会英【2 5 】采用三维轴对称模型，计算了垂向、横向以及 制动热载荷下车轮应力分布。国外方面，w i s e t 2 6 】概括了过去3 0 年车轮设计方面 的发展，详细叙述了轮对的发展过程，简单描述了车轮的破坏形式，提出在车 轮设计过程中必须明确机械载荷和热载荷联合作用下的应力分布、车轮各部位 的破坏规律与准则。c h k n c e n e b t 2 7 】采用轴对称模型计算了各种制动工况下不同 轮辋厚度的整体辗钢车轮的温度场、变形及应力，得出由于制动产生的瞬时高 热拉应力己经接近材料的屈服极限，并且能导致应力集中区域的破坏，但同样 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 未考虑机械载荷方面的影响。y o n g m i n gl i u 2 8 等建立车轮三维弹塑性有限元模 型进行应力分析，提出一种多轴高周疲劳萌生寿命预测方法，同时考察了车轮 直径、垂向载荷、材料硬度等因素对车轮疲劳寿命的影响，其关注的重点是轮 轨接触条件下车轮轮辋部位的疲劳损伤。 以上文献主要是基于特定载荷下结构疲劳强度校核，无法充分考虑随机载 荷谱下轮轴结构的损伤累积。因此从寿命预测角度，研究随机载荷条件下结构 的疲劳应力谱的计算与处理方法，将为结构疲劳寿命定量预测打下基础。目前 在结构疲劳应力谱研究方面，结构的疲劳应力计算有准静态法和瞬态法。准静 态法【2 9 】假设结构处于完全弹性状态，将结构的载荷谱比例地转变为结构疲劳应 力谱。准静态法基于弹性假设，计算速度高，但由于忽略塑性变形，而造成计 算精度较差。瞬态法【3 0 】模拟疲劳载荷谱一时间历程随时间变化逐个平衡力系地 对结构展开应力计算，计算精度高。但当需要计算的疲劳载荷谱很长或结构过 于复杂时，尤其是在同时考虑结构弹塑性计算时，这一方法所需计算时间长， 在工程实践中推广应用受到限制。 为了解决现有准静态法准确度不够、瞬态法计算时间太长难于推广应用的 难题，赵永翔，彭佳纯【3 1 】提出一种结构疲劳应力谱构建新方法。该方法考虑结 构局部材料在交变疲劳载荷下的塑性变形行为，以及非线性变形行为，对于受 载模式较为稳定的结构，建立起载荷谱与结构局部材料变形之间一种非线性的 传递关系，基于该传递函数，将载荷时间历程转化为结构关键部位疲劳应力谱， 目前该方法已经在我国重载货车关键部件的疲劳应力计算上得到应用并证明其 可行性【3 2 1 。 1 2 3 疲劳可靠性分析 目前，国际上广泛采用的结构疲劳可靠性分析法是删曲线m i n e r 累积损 伤准则结合法。该方法的国际前沿目前集中在洲曲线方面，有两个值得注意 的问题： 洲曲线能够涵盖的寿命范围：中短寿命范围还是超长寿命范围? 洲曲线的来源：材料试验还是结构试验? 铁道车辆结构的服役载荷谱受到车辆、线路与环境气候条件的影响，具有 很大的随机性。不排除结构局部承受的实际服役应力谱中出现接近屈服强度的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 瞬态疲劳应力幅，如果结构长期在此应力幅下服役，将在中短寿命范围失效。 但在存在很多小应力交织作用的情况下，结构寿命周期的应力谱的当量应力幅 水平将很低，使结构的实际疲劳寿命进入超长疲劳寿命及大于1 0 7c y c l e s 范畴。 因此，疲劳寿命分析，应当以涵盖超长寿命范围的孓曲线为基础才能满足实 际工程需要。现有获取材料或结构超长寿命范围的洲曲线的方法有： ( 1 ) 以法国学者b a t h i a s 教授 3 3 - 3 6 为代表的超声疲劳试验分析法。该法以超 声共振疲劳试验装置为手段，以q 4 m m 直径小试样为试验对象，试验结果难以 排除试样的尺寸效应和试验过程中产生的高温效应的影响，可以反映规律性， 却不能代表常规材料在常规服役条件下的疲劳性能。 ( 2 ) 以日本学者m u r a k a m i 教授【37 弼】为代表的常频小试样疲劳试验法。该法 以9 4 m m 左右直径小试样为试验对象，基本上以恒幅疲劳试验为依据。与超声 疲劳试验相比，该法更接近实际一些，但试验结果难以排除尺寸效应的影响， 同时，往往得出超长寿命范围存在疲劳极限的结论。此外，该法还得出疲劳损 伤不会从材料表面发生、而起源于内部疲劳萌生的夹杂的疲劳损伤机制。这些 结果难以描述实际工程结构在变幅载荷下的疲劳行为，与生产实践中内部没有 裂纹类缺陷结构一定从表面萌生疲劳裂纹、内部存在缺陷时将与表面质量竞争 决定疲劳裂纹的萌生源的普遍疲劳损伤机制不一致。此外，由于试验时间长， 要推广应用解决工程实际问题，也有相当难度。 ( 3 ) 洲曲线外推法 该法是国际有关学术组织建议在疲劳分析规范中的方法，如a a s h t o 规范 【3 9 】所推荐将中短寿命范围的洲曲线直接应用与超长寿命范围、欧洲标准 e n l 9 9 3 1 - 9 2 0 0 5 【4 u j 建议的自疲劳寿命n = 2 x 1 0 5c y c l e s 后，s _ n 曲线的指数由原 来的m 变为2 m 1 ，并平滑外推应用到超长疲劳寿命范围。 在铁路货车r d 2 车轴疲劳可靠性的研究中，课题组考虑到上述难题，以 l z 5 0 车轴钢的疲劳极限试验数据【4 l 】和中短寿命范围的试验。洲数据【4 2 】为基础， 提出了概率疲劳极限外推澍4 3 1 ，该方法已被证实可安全地包容上述常频小试样 疲劳试验法获得的超长寿命范围的s i - 数据【4 4 1 ，有望成为一种具有良好推广应 用性的方法。 在疲劳可靠性分析中，采用结构试验来获取用于结构可靠性评价与寿命预 测的可靠性洲曲线，是不经济的，不科学的。解决问题的科学途径，应当集 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 中在如何基于广泛接受的材料标准试样的试验结果，考虑结构几何形状与尺寸、 表面质量、服役环境条件与材料标准试样的差异，把材料标准试样的州曲线 转化为实际结构考察部位的洲曲线。目前，国际上一般采用上世纪5 0 年代谢 联先【4 5 】提出的考虑应力集中、尺寸效应、表面质量、环境腐蚀因素影响的单因 素组合修正法。这一方法具有广泛实用性，但对特定的结构而言，准确性与可 靠性很难界定。 在铁路货车r d 2 车轴的疲劳可靠性评价与寿命估计问题中，课题组根据 l z s 0 车轴钢标准试样的疲劳极限试验数据和中短寿命范围的嘶数据，通过比 较较标准试样、尺寸更大的相似试样和实物车轴的疲劳极限试验数据，提出和 实践了综合考虑几何形状、尺度和表面质量影响，通过修正材料洲曲线确定 结构孓曲线的方法 4 6 , 4 7 】。 1 3 本文工作 为了保证我国铁路运输的安全性，在对车辆结构的疲劳失效机制缺乏深入 的认识和科学依据的情况下，只能通过加强维修检测次数，频繁更换车辆关键 部件的方式，来尽量避免运行事故的发生，使得我国在铁路运营方面需要很大 的投入。针对我国重载货车轮轴结构出现的多种疲劳失效模式，综合考虑车轮 在复杂随机交变载荷下结构关键部位的应力历程，结合累积损伤理论和可靠性 分析，考察分析轮轴在全线运营工况下的疲劳损伤和寿命可靠性，将对制定轮 轴结构合理的检修周期和报废机制提供一定得参考依据，提高列车运行安全性 以及运营检修方面的经济性。 本文以我国主型c 7 0 货车所用轮轴结构为研究对象，所要完成的主要内容 如下： ( 1 ) 线路轮轨力测试 为研究分析轮轴结构在实际运行过程中承受随机载荷下的力学行为和应力 分布情况，通过线路试验，利用测力轮对在某段i 级线路上进行轮轨力测试。 分析整理不同工况下轮轨力一时间历程，并按照静平衡原理获得车轴承载鞍位置 的载荷一时间历程，作为后续轮轴疲劳应力计算的边界条件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 2 ) 疲劳当量应力计算 采用课题组提出的一种考虑材料疲劳弹塑性变形行为的疲劳应力计算新方 法，通过建立载荷谱与结构局部材料变形之间一种非线性的传递关系，基于该 传递函数，将线路实测载荷时间历程转化为结构关键部位疲劳应力谱，进而计 算各关键部位当量疲劳应力并预测结构疲劳萌生寿命。 ( 3 ) 疲劳可靠性评价与寿命估计 根据疲劳应力谱的分析结果，结合课题组完成的关键部件材料与结构的疲 劳可靠性性能数据，并应用前期提出的含超长疲劳寿命范围的疲劳可靠性分析 方法，开展c 7 0 货车关键部件的疲劳可靠性评价和寿命估计工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 试验线路 第2 章线路试验轮轨力测试 轮轨力是车轮和轨道间的相互作用，轮轨力的测量既可以在轨道上，也可 以在车辆上进行。轨道上测量轮轨力的方法涉及轨道改造，投资较大，主要用 于监控货车通过时的运行状态。通过车辆部件作为力传感器进行轮轨力的测试 可以连续监控车辆运行全程轮轨载荷变化。而在测量方法上，轮轨力测试经历 了间接测量到直接测量( 测力摇枕到测力轮对) ，间断测量到连续测量的发展过 程。间接测量主要以测力摇枕( 侧架) 贴片测量，通过力平衡原理间接推导轮轨载 荷。而车轮作为车辆运行中直接感受轮轨力的部件，将车轮最为力传感器，在 车轮辐板布置合理的应变片，并按照一定的规律组成惠斯登电桥，之后通过集 流环采集桥路输出，即可得到轮轨力的应变输出信号。测力轮对方法测量轮轨 力，经历了从间断测量到连续测量的过程。连续测量是通过在车轮辐板某一半 径各角度密集贴片的方式连续测量轮轨力。间断测量方法，只需在车轮0 。和 1 8 0 。位置贴片组桥，轮对旋转一周得到两个峰值，只有波形的峰值才反应轮轨 接触点上的力的有效值，随着测量仪器采样频率的提高，间断测量轮轨力方法 的准确性得到提高。本次线路试验采用间断测量方法，通过集流环采集不同时 刻的应变输出信号，采样频率6 2 5 h z 。 试验线路如图2 1 所示，共进行了五个区段试验。其中线路1 为平齐线， 齐齐哈尔至榆树屯段，线路2 为滨洲线，榆树屯经红旗营至烟筒屯区间，线路3 为滨洲线，烟筒屯至榆树屯区段；线路4 为滨洲线，榆树屯经昂昂溪至龙江区 段；线路5 为滨州线与平齐线，龙江经榆树屯至齐齐哈尔区段。试验线路总里 程2 1 7 k m 。该区间为i 级线路，线路使用6 0 k g m 钢轨铺设，水泥轨枕，碎石道 床，侧线通过道岔号数为1 2 号道岔，试验车最高运行速度为1 3 0 k m h ，分若干 速度级，速度极差1 0 k m h ，最低直线速度6 0 k m h ，允许以最高速度通过曲线， 侧向4 0 k m h 过1 2 号道岔。线路实测通过换装了测力摇枕和侧架，以及测力轮 对的试验车，对c 7 0 货车k 6 转向架轮轴轮轨接触力和构架( 包括摇枕和侧架) 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 关键部位的应力进行了检测。 图2 - 1试验线路示意图 ( a ) 电刷式集流环彻应变片分布 图2 2 试验车测力轮对 2 2 轮轨力测试 2 2 1 有效信号提取 试验车测力轮对如图2 - 2 所示。采用电刷式集流环，利用电刷和金属环之 间的滑动接触来传递应变信号，采样频率为6 2 5 h z 。测力轮对垂向桥和横向桥 组桥方式为1 8 0 。，全桥间断测龟轮轨力。贴片位置位于最靠近轮轨接触点时的 桥路输j b 为有效轮轨力测试信号，对应应变信号的最大和最小值。以垂向力为 例，轮子转动一圈的过程中，只有在对称的0 。和1 8 0 。位置时，输出值才是有 效的垂向应变信号，而转动到其他位置时无法反应真实轮轨力值，采样信号均 视为无效。图2 - 3 为一段线路垂向桥与横向桥输出原始应变信号。进行轮轨力 处理时首先需提取有效地应变输出，作为向轮轨力转换的原始数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 2 零线标定 在每段试验进行之前需将数据记录仪器调零，此时对应测力轮对准确位置 为应变片处于水平位置，桥路输出为零。当调零时测力轮对位置无法准确摆放 于该位置时，则造成应变输出发生漂零现象。 1 0 0 0 之- 1 0 0 髫2 0 0 足3 0 0 l i f | 堋 5 0 0 1 5 e + 0 51 5 i e + 0 51 5 2 e + 0 51 5 3 e + 0 5i 5 4 e + 0 5 1 5 5 e + 0 5 采用频率 1 5 0 1 2 5 交1 0 0 翘7 5 暴5 0 2 5 0 l j e 邶 3 0 0 2 0 0 j1 0 0 餐 。 星- 1 0 0 i f ；2 0 0 3 0 0 l j 2 e + 0 5 1 5 3 e - m 5 采样频率 图2 3 测力轮对原始应变输出信号( 标定前 l j 5 e + o s i 5 e + 0 51 5 i e + 0 5i 5 2 e + 0 5 i 5 3 e + 0 51 5 4 e + 0 51 5 5 e + 0 5 采样频率 7 5 5 0 交2 5 型0 曩2 5 5 0 7 5 1 5 e + 0 5 1 5 i e + 0 5i 5 2 e + 0 5i 5 3 e + 0 5 1 5 4 e + 0 51 5 5 e + 0 5 采样频率 图2 _ 4 零线标定后应变输出信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 因此，在每段线路进行一段低速( 通常为5 k i i a h ) 的惰行段行驶，惰行段过程 中，车轮转动速度较慢时，轮对动载荷效应低，桥路输出信号为一稳定值，通 过这段线路应变输出求出零线位置，从而完成原始信号的零线标定。经过漂零 处理后的桥路输出信号如图2 - 4 所示。表2 - 1 给出了各运行区段中的惰行零线标 定数据。 表2 15 个运行区段轮轨接触应变惰行零线标定数据( 单位：u ) 测力轮对 线路区段 左轮垂向左轮横向右轮垂向右轮横向 13 0 3 4 91 2 8 8 13 4 3 2 21 6 6 1 6 27 9 6 2 73 2 7 4 98 0 2 5 66 4 5 5 3 39 6 7 1 21 0 6 0 91 8 2 3 31 0 5 5 8 44 4 9 4 74 5 5 6 55 1 0 2 85 1 4 8 6 51 6 2 2 87 7 1 3 26 3 6 88 6 8 1 2 2 2 3 测力轮对静标定及轮轨力换算 测力轮对贴片布桥完成后，对其在专用的标定试验台进行垂向力和横向力 标定。垂向力标定通过垂向加载器直接对车轮逐级加载，利用测力计测量加载 垂向力，在垂向力作用下时，由应变仪记录桥路输出应变量。横向力标定时， 用千斤顶将测力轮对顶离轨面并用横向加载器对轮对进行横向逐级加载，同时 记录应变仪输出应变量。横向力加载最大值为6 2 5 3 k n 。表2 2 给出了测力轮 对垂向桥和横向桥加载级别以及应变量值。应用如下二次多项式拟合标定数据， 可得将线路试验测定的轮轨接触车轮应变数据转换为轮轨接触力的标定系数。 f = l 口+ 6 ( 占一占o ) + c p 一占o ) 2 i， 1 、 二。1 ， 并用下式来定义拟合效果 ( 2 - 2 ) 式中n 是标定应变一力( e - f ) 数据对数，为各级加载垂( 横) 向力，为对应 的垂( 横) 向桥应变量输出值。拟合得出的测力轮对轮轨力与桥路应变输出信号值 标定系数见表2 3 ，从表中可知，参数c 为1 0 e 5 数量级；最低拟合相关系数协 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 达到o 9 9 7 6 4 ，测试应变与力呈现线性关系。对标定数据的描述效果见图2 5 。 表2 - 2测力轮对的试验标定数据 左轮右轮 序号 垂向横向垂向横向 | 啦 f 、0 嗵 | 恤 f a 忒 e i t f j 蜮 | 岱 f 豫n 12 8 5 51 2 2 8 8 1 6 3 5 6 1 5 82 8 2一1 2 2 7 5 1 6 66 1 5 8 22 8 7 51 2 1 0 71 6 3 56 1 1 72 8 0 51 2 1 8 41 6 6 56 1 1 7 32 4 0 51 0 2 7 61 3 95 1 9 92 3 61 0 2 51 4 05 1 9 9 42 4 01 0 1 9 91 3 75 0 4 62 3 4 51 0 1 3 41 3 85 0 4 6 51 9 3 58 3 2 91 0 94 1 1 51 9 08 3 0 31 0 8 5- 4 1 1 5 61 8 7 58 0 21 0 8 54 0 1 5。1 8 8 58 2 1 31 0 9_ 4 0 1 5 71 4 66 1 58 53 1 9 11 4 26 1 7 68 1 53 1 9 1 81 4 1 56 0 3 48 0 53 0 51 4 0 56 0 4 77 83 0 5 99 74 1 1 35 4 52 1 5 59 64 1 3 95 0 5- 2 1 5 5 1 09 64 0 8 74 5。2 0 1 49 5 5 4 0 2 3 5 22 0 1 4 1 17 1 52 5 9 23 2 51 1 0 77 22 8 7 53 21 1 0 7 1 24 6 5 2 0 3 72 2 1 0 1 36 5 2 6 6 9 2 21 0 1 3 1 35 5 52 2 6 9 3 0 1 0 1 3 5 4 52 0 6 3 2 51 0 1 3 1 4 5 8 52 4 6 32 91 0 3 65 82 2 8 22 41 0 3 6 1 59 3 4 0 15 3 52 0 2 59 54 0 4 9 4 1 5 2 0 2 5 1 69 4 54 0 2 35 42 0 4 39 74 2 2 94 22 0 4 3 1 71 3 86 1 2 48 43 0 3 21 3 86 0 4 77 6 53 0 3 2 1 81 4 0 56 1 6 39 3 53 3 2 61 4 06 0 7 38 6 53 3 2 6 1 91 8 48 2 7 81 1 64 1 2 71 8 98 1 3 61 0 6 54 1 2 7 2 01 8 6 58 3 2 91 2 0 54 1 8 61 8 6 58 2 1 31l o4 1 8 6 2 12 2 4 51 0 0 1 81 5 0 55 1 42 3 41 0 0 9 61 3 95 1 4 2 22 2 2 51 0 0 8 31 4 4 55 2 2 22 3 61 0 2 8 91 3 4 55 2 2 2 2 32 6 81 2 0 8 l1 7 26 0 72 8 0 51 2 1 9 71 5 8 56 0 7 2 4 2 7 3 5 1 2 3 3 91 7 4 56 2 5 3 2 8 31 2 2 7 51 6 2 56 2 5 3 表2 - 3 轮轨力转换标定系数 测力轮对 参数左轮右轮 垂向横向垂向横向 口0 2 7 0 6 40 6 7 6 7 63 4 7 e 一0 40 5 6 0 1 7 60 4 3 6 7 20 3 6 5 1 l0 4 3 3 4 80 3 7 9 7 4 c4 2 6 7 9 e 53 7 0 8 8 e 56 9 2 0 2 e 一81 3 9 3 l e 5 r f 0 9 9 9 8 60 9 9 9 6 60 9 9 9 90 9 9 9 2 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 1 5 0 一 - 1 5 0 “ ( a ) 左轮垂向力标定 1 5 0 一 - 1 5 0 一 - 3 z 1 0 0 ( b ) 左轮横向力标定 1 0 0i - z8 0 ： 一8 0j - 1 0 0 。 ( c ) 右轮垂向力标定( d ) 右轮横向力标定 图2 5测力轮对静力标定曲线 2 3 轮轨力测试 2 3 1 线路试验工况 整理出的试验线路上直线和曲线典型工况见表2 4 。 0 03 0 0 p 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 表2 _ 4 试验线路典型工况整理 工况编号线路条件速度 l直线6 0 k m h 2 直线 6 5 k m h 3 直线 7 0 k m h 4 直线 8 0k m h 5 直线8 6 m h 6 直线 9 0 k m h 7 直线9 5 k m h 8 直线 1 0 0 k m h 9 直线1 1 0 k m h 1 0 直线 1 2 0 k m h 1 1 直线1 3 0 k m h 1 2 r = 3 5 0 m 曲线 4 6 k m h 1 3 r = 3 5 0 m 曲线 6 0 - 6 8 k m h ( 变加) 1 4 r = 4 2 0 曲线 3 4 - 4 0k m h ( 变加) 1 5 r = 4 2 0 曲线4 6 3 8k m h ( 变减) 1 6 r = 6 0 0 曲线 8 0k m h 1 7 r = 6 0 0 曲线 8 5k m h 1 8 r = 6 1 0 曲线 7 5k m h 1 9 r = 6 2 0 曲线 7 8k m h 2 0 r = 6 2 0 曲线 8 6 k m h 2 1 r = 6 2 0 曲线8 6k m h 2 2 r - - 6 2 5 曲线 7 5k m h 2 3r = 6 3 0 曲线8 0k m h 2 4 r = 6 3 0 曲线 8 6k m h 2 5r = 6 6 0 曲线 8 2k m h 2 6 r - - 7 0 0 曲线 8 0k m h 2 7 r = 7 3 0 曲线 8 6 k m h 2 8 r = 8 0 0 曲线 6 0 6 4k m h ( 变加) 2 9 r = 8 0 0 曲线 8 0k m h 3 0 r = 8 4 0 曲线 8 5 8 3k m h ( 变减) 3 l r = 1 0 0 0 曲线 8 0k m h 3 2 r = 1 6 0 0 曲线 1 2 0 k m h 3 3 r = 2 0 0 0 曲线 1 3 0 k m h 3 4 r = 2 5 0 0 曲线 1 3 0 k m h 3 5 r = 4 0 0 0 曲线 9 4 k m h 3 6 侧线过道岔 4 0k m h 3 7 侧线过道岔 3 5k m h 分为各个速度级直线工况，不同曲线半径对应不同速度曲线工况，以及侧线过 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 道岔工况。直线工况分若干速度级，最高直线速度1 3 0 k m h ，一般为没l o k m h 为一个速度级。曲线工况选取对轮轨力有显著影响的中小半径曲线工况。道岔 工况为侧线通过1 2 号道岔，速度为3 5 k m h 和4 0 k m h 。 2 3 2 轮轨力一时间历程 图2 “图2 1 0 分别给出了1 3 0 k m h ，1 2 0 k m h ，l o o k m h ，8 0 k m h 以及6 0 k m h 直线工况一段线路上的轮轨力一时间历程。其中横向力负值表示横向力方向指 向车轮外侧，正值表示指向车轮内侧。从图中可见直线工况各速度级下垂向力 波动幅度随着速度的提高而有所增大，即随着速度的提高，轮轨冲击造成的动 载荷系数加大，车轮垂向力的幅值波动相应增加。直线行驶下车轮整个历程中 大部分受到指向外侧的横向力，且横向力大小较小。车轮在直线工况下的疲劳 损伤主要跟不同速度等级下的垂向力有较大关系，而横向力的影响较小。完整 的轮轨力测试结果以载荷谱文件的形式保存下来，用于有限元分析试验线路上 车轮、车轴、疲劳循环应力谱。 ( a ) 左轮垂向力( b ) 右轮垂向力 里程k m里程k i n ( c ) 左轮横向力( d ) 右轮横向力 图2 61 3 0 k m h 直线工况轮轨时间历程 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 0 l o r0 旧 篓i 0 刈 2 0 3 0 1 8 0 1 7 0 1 1 0 1 0 0 9 0 8 0 2 5 42 5 52 5 62 5 72 5 82 5 92 6 0 2 5 42 5 5 里程k i n ( a ) 左轮垂向力 2 0 1 0 杂0 厦 簧l o 坦2 0 - 3 0 2 5 62 5 72 5 8 2 5 92 6 0 里程k m ( b ) 右轮垂向力 2 5 42 5 52 5 62 5 72 5 82 5 9 2 6 02 5 42 5 5 2 5 6 2 5 7 2 5 82 5 92 6 0 里程a m里程k m ( c ) 左轮横向力 ( d ) 右轮横向力 图2 7 1 2 0 k m h 直线 二况轮轨时间历程 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 l o o 8 0 2 0 1 0 7 0 3 0 4 0 2 9 8 ( a ) 左轮垂向力 3 0 4 2 9 82 9 93 0 03 0 i3 0 23 0 33 0 4 里程k m 2 0 l o 0 尽1 0 颦 嚣2 0 3 0 - 4 0 2 9 8 2 9 93 0 03 0 13 0 23 0 33 0 4 2 9 82 9 9 里程k m ( c ) 左轮横向力 ( b ) 右轮垂向力 ( d ) 右轮横向力 3 0 33 0 4 如们如加 三r足喇刁毒杯 加 蚕r厘啪刁|心 加 蚕r匠郴辑惧 蚕r翟嘲习毒州 32o3 nk彤里 oo3992 m 量颦辞心 2o3 两k剐里 003 1 8 0 1 6 0 杂1 4 0 厅 袭1 2 0 心 1 0 0 8 0 2 8 5 52 8 6 2 0 1 0 0 r 岳1 0 撂 辩2 0 刈 3 0 - 4 0 1 8 0 1 6 0 妄1 4 0 匠 袭 榭 1 0 0 8 0 2 0 1 0 堇0 主l o 蜓 簧