（机械制造及其自动化专业论文）动车转向架疲劳强度可靠性研究.pdf

塑墅 一 摘要 沦文以典型动车组动力车转向架为研究对象，研究其构架的疲劳强度可靠 性。 丈章首先建立转向架构架动态响应的数学模型与结构有限冗模型，对转向架 构架进行动态响应仿真在仿真的基础上进行了动车转向架部分动力性能线路测 试试验然后从实测加速度时间历程中获取典型时间段的数据，经过处理得到了 用于仿真的“典型，加速度谱。运用有限元软件对模型进行( 模态) 瞬念响应分析， 将仿真巾得到的动应力最大值和均方值与实测动应力进行比较，结果表明两者较 为吻介，验证了仿真的可行性和良好的可靠度。 在对构架动应力进行的二维应力谱编制的基础上，论文采用概率m i n e r 准则 法1 ，算了转向架构架关键部位在一定可靠度下的疲劳寿命，并提出转向架构架全 生命周期的叮靠性管理措旋最后对进一步研究工作的方向作了简要的讨论。 关键词：转向架构架，瞬态响应，仿真，线路试验，疲劳寿命估算，可靠性管理 垒堕堡垒一 -_h_-_-_-_ a b s t r a c t t h ef a t i g u er e l i a b i l i t yo ft h eb o g i ef l a m ei sd i s c u s s e di nt h i st h e s i sf o r t h et y p i c a l h i g h - s p e e dr a i l w a y v e h i c l e f i r s t ，t h em a t h e m a t i cm o d e la n d t h ef e mm o d e lf o r t h eb o g i ef l a m es t r u c t u r ei s b u i l tu p ，a n dt h e nt h ed y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so ft h ef e mm o d e li sp e r f o r m e d b a s e do nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa b o u tt h ew o r kb e f o r e ，t h ep l a nf o rt h es p o t e x p e r i m e n t a t i o na b o u td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si sd e s i g n e da n dt h e nc a r r i e do u t w h e n t h et e s td a t ai sg o t t e n ，at y p i c a lp e r i o do ft i m ef r o mt h ew h o l ew i l lb es e l e c t e da n dt h e r a i n f l o ws t a t i s t i c a lc o u n to fi t sd a t aw i l lb ep e r f o r m e d 。m a dt h e n ，t h ed i s p o s e dd a t a w i l lb ep u to n t ot h ef e mm o d e la n di t st r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i sw i l lb ed o n eb y t h em o d e lm e t h o di nt h em s c n a s t r a ns o f t w a r e n o wt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e m o d e 】a n dt h er e a ls t r u c t u r ea b o u tt h e i rm a x i m u md a t aa n de q u a t i o n a ld a t ao ft h e d y n a m i cs t r e s s e sf o rs o m ek e yp o i n t sw i l lb ed o n e ，a n dt h ea u t h e n t i c i t ya n dt h e r e l i a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i cf o rt h em o d e lw i l lb ev a l i d a t e da l s o s on o w , t h et a b l ef o rt h e d y n a m i cs t r e s s e si nt w oc o o r d i n a t ec a nb ew o r k e do u ta b i d e db ym i n e rr u l e sa n ds o t h el i v e sf o rs o m ek e yp o i n t si ns o m ec e r t a i nr e l i a b i l i t yc a r lb ee s t i m a t e d a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i sa b o v e ，s o m eb l u ep r i n to ft h ef a t i g u er e l i a b i l i t ya b o u tt h er a i l w a yb o g i e d u r i n gt h ew h o l el i f ec a r lb em a d e a n dl a s t ，s o m es i m p l es u g g e s t sf o rt h ef u t u r e d e v e l o p m e n tf o rt h eb o g i ew i l lb ed i s c u s s e d k e yw o r d ：b o g i ef r a m e ，t r a n s i e n tr e s p o n s e ，s i m u l a t i o n ，o n t h e p o te x p e r i m e n t a t i o n ， f a t i g u el i v ee s t i m a t i o n ，r e l i a b i l i t ym a n a g e m e n t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如f 各项内容：按照学梭要求提交学位论文的印席5 本和电子版 本：学校有权保存学位论文豹印剧本鞠电子版，劳采用影印、缝印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文伞文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向围家有 关部门或者机构送交沦文的复印件和电子敝；在不以赢利为目的的前 提下，学校露以适当复簇论文靛部分或全懿内容用于学术活动。 经指导教师i 司意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 指撒皤锵荡砌学位论文俸者签名：帝军 p 年毒月7 ，基游足圳| 彳帝匿 名 一 参 填| | 群 ； 作 等一 义箩 沦 独鬻 靴 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作；吊的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 篁! 童丝堕 _ _ _ _ w _ _ - _ _ w _ w _ _ w w _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ ，- - - h _ _ _ _ _ 第 辈绪论 11 国内外轨道交通车辆的发展 11 1 国外轨道交通车辆的发展溉、咒 近些年来，国井铁路的客运、监并没有因为公路和航空的笈展而停滞不前，稽 反，由于铁路运输具有运能大、环境污染小、安全性高、票价底等优点，全球的 铁路高速运输在近2 0 年的时问罩有了极其迅速的发袋，使得它在汽车、火车、 飞机运输系统中所占的份额也明显增长，并呈进一步发展的趋势，许多国家的铁 路客运鼍保持着蹭长的势头。1 9 8 9 年欧漭| 静高速运输( h g v ) 仅法圈簪营铁路 ( s n c f ) ，即t g v 列车的旅客运量就达1 2 2 亿人公罩。2 0 0 0 年欧洲采用高速运输 静舀客已达到约1 0 个，运髦达5 9 1 亿入公里，l1 年中计臻长3 8 0 ，群年均臻长 1 5 以上。 柱会客露琢因的变化也餐避铁路褥至l 发袋，比如麓源危瓤、环装污染、安全 性、占地面积、能源消耗、噪声等等。鉴j i 这些特点和优势，许多国家政府出资 扶孝壹 辩发震铁路，霸铁路内帮也在 袭靠辩鼓道步、镄质联务、鸯骞改革、完善 管理、降低成本来提高效益，从而开创了铁路历史的新局面“。 囝时，由于天翻生活承乎麓搀离，藏客对装车条件要求越来越毫，溺蓝各鬻 采取了积极的提速措施。美国、澳大利亚在原有线路上提高列车运行速度；德国 铁疆龟遴嚣全缢豹提逮诗翔：荚鬻雩| 逡摆式列车寒实我疆速；法国对t g v 蔫速 列车进一步提速；同本和挪威引用高舒适度列车等。 遴入2 l 嫠纪，各耱交运运输系绞之霹教髭争更熬滋惑，设照客运必须遴一 步提高服务质嫩，降低运输成本，确保快速、舒适、安全的运送旅客，才能使自 己立予不黢之缝。塞鹾本率先戮铡成功蔫速旅客列车鞠年以寒，已经运送了s i 亿旅客。2 0 世纪8 0 9 0 年代，法国、德国、两班牙、意大；f f j f n 瑞典的高速列车 共运送了约7 亿凌客。扶1 9 9 6 年6 月1 9 9 8 年2 月，巴黎匆鲁寒尔之阕运 行的t h a l y s 列车已经运送了5 0 0 万旅客。到1 9 9 8 年术，这祭运输走廊的客运 量将占铁路客运量懿6 0 。在鑫i 速铁路燃发达鞠家，高速客运周转量占整个铁鼹 的4 0 5 0 。近朔，高速铁路客运业正在美豳、韩圈、澳人利哑等嘲家兴起， 主要包括于2 0 世纪寒研制、2 i 世纪初投入运煺豹国外糖型高速列车主要有德强 的i c e 3 型列下、f 1 本7 0 0 系电动列车、西班牙i c 2 0 0 0 型电动车组、英国的摆式 第1 章绪论 车体列车、瑞士i c n 型列车等。 近些年来，在世界范围内兴起修建高速铁路的新高潮。世界高速铁路建设 的发展途径主要有：新建高速铁路线路：将原有建设标准不高的线路改造为高速 铁路；住改造既有线路的基础上采用摆式列车提速；修建高速铁路客运专线的同 时对既有线路提速，共同推动2 l 世纪世界高速铁路的发展”3 11 2 国内轨道交通车辆的发展 我国人众多，随着城市化进程的加快，出行需求将不断增加，但由于国民 平均收入水平较低，大部分旅客仍将选择铁路作为出行方式。因此，国情为我 国大能力的铁路运输提供了广阔的市场。面对机遇与挑战，我国铁路客运运输的 发展方向之一就是修建客运专线，发展高速铁路。因我崮客流绝大部分集中在京 j “、津沪杭、京沈、哈大、陇海、浙赣六大干线的城市群。而六大丁线贯通南北、 连接东西，是我国运输网络的骨干，同时面临客运运输需求增长的双重压力，因 此只有修建客货专线和高速铁路，实现客货分线运输，才能根本解决运输供需矛 盾，实现运输畅通。其二为提高既有线列车速度，全面提高运输质量。今后，我 国铁路将在三大干线提速的基础上，进一步全面提高我国铁路旅客列车速度，实 现既有线路改造和新线建设相结合。2 0 0 3 年建成了我国第条最高时速达2 0 0 k m 的秦沈客运专线，并将在3 5 年的时间内形成以三大干线和秦沈客运专线为骨 干，山与之相连的哈大、沪杭、京秦、京九等多条重要干线组成的快速客运系统。 京沪之间1 3 0 0 k m 的高速铁路f 在研究规划过程中，我们将继续挖掘提速潜力， 使其旅客列车速度达到线路设计速度，从而使我国铁路技术进入先进水平行列。 结合国情、路情综合评估效益，因地因时制宜地制定我国客货列车提速战略 总是非常必要的。专家门预言：“2 l 世纪铁路将成为运输的主要模式”。为了提 高铁路市场竞争的能力，铁道部从1 9 9 7 年丌始实施铁路提速战略，1 9 9 8 年l0 月lf 1 起全国铁路实行新的运行图，最高时速为1 4 0 k m 1 6 0 k m ，新运行图的特 点体现了“突出全面提速，提高铁路竞争能力”的特点。以后于2 0 0 0 年3 次对 铁路运行图进行大幅度调整，京广、京沪、京哈、陇梅、兰新等主要干线的旅客 列车全面提速。2 0 0 1 年1 0 月又实施了第4 次提速，提出了“夕发钥至”，“朝发 夕归”，“优质优价”等一系列运输品牌。2 0 0 4 年4 月1 8 同，我国进行铁路第九 次提速硼。 铁路提速也为我国轨道车辆业的发展提供了难得的机遇。2 0 0 1 年1 月8r ， “蓝箭”动车组在广深线上以2 0 0 k m h 的速度行驶。萨在秦沈线试验运行的“先 锋号”和“中华之星”则是两列我国设计制造的最高时速分别为2 0 0 k m 和2 7 0 k m 的高速列车。同时铁道部正在积极为实现今年的第六次提速做准备，提速将使部 第1 章绪论 分干线列车时逋达到2 0 0 公晕。另据报道，京滓和京沪客运专线即将建设，建成 以后，车辆时逡可达2 0 0 公黾戥上，可以预料，在刁i 运的将来，我国新一代赢速 旅客列车必将飞驰在祖国广袤的大地上。 12 轨道交通车辆提速后发生的问题 随着列车的提速，车辆转向粲的疲劳失效问题越来越引起人们的霞视。运行 于广深线的动擎组在其运行过程中就暴露了不少疲劳方面的问题，如车体枕粱下 盖板及立板产生横向撕裂，动力车转向架托架弯筋板与下盖板处焊缝裂纹等。其 他线路上运行的动车组同样也发生了类似的情况。 其它的一些高速剐车转向架遣出瓒了一系列的闽髓：c w 2 ( 型转向粱 曾发生构架断裂，多根牵引拉杆折断，多根吊杆螺栓断裂等现象：2 0 9 h s 转向架 曾出残了弹簧托梁在连接辘瘁缝处出髋裂纹，税甬秆上下镄紧圈校部有麴痰，稔 架枕吊摩加强板焊缝下部收弧处开裂，空心牵引拉杆焊缝处丌裂且更换实心十r 后 嫘纹照折断等蠛象；2 0 6 w p 、2 0 6 k p 和s w l 转彝絮酱经出现了鞠絮灞豁轴 箱弹簧座丌裂，构架牵引拉杆飚根部及横梁封板焊缝有裂纹，摇枕拉市1 座及裙板 谭缝裂纹，定位营痒铸件裂纹，导向轮对磨耗等等。 转向架的主要失效形式是疲劳、縻损与腐蚀，而从本质上看，磨损与腐蚀也 是由 二其对疲劳强痰靛较大麓翡两导致结稳遥譬发，圭疲劳袋纹约重要瀣素“。爨 有关资料表明，自列车提速以来，仅转向架疲劳破坏造成的经济损失就达千万元 以上。瓣就，对高速动车转淘絮蠢言，在保谣动力学 燕能静瓣撬下，遴行结构疲 劳强度可靠性设计，确保零部件的和可靠，对于提高车辆整体运用安全可靠件， 莱漳乘客旅行漆点与安全具煮羹要夔王程应舔徐 壹。 3 转向架疲劳可靠性研炎的意义 曩酶，我瓣溉专铁路客车熬提速，使缛铵鼹交遥运羧遂丸了令耨豹发震狳 段，也为铁道机车车辆制造业展现了广阔的前景。 足年羲提遴运 亍实渡衷竣，毅玎发粒誊兄车车鹱转囊絮，一黢彰具骞较毫载没 讣速度和良好的运行品质。但是由于运行速度的提高引起的动应力剧增和线路及 巧境露豢粒不确定枣生，运建部f j 也麸孛发琨了些诸如零韶转黥较涣羧坏、车辆 动力学性能的不稳定性、以及由此而引起的加速疲劳失效这一危及运行安全的事 凌穗惑阀题。醚羲提逮线路巍邀一步扩大以及运行时翅瓣增长，这秘悠患戆弓 发 概率将_ i 断增加。冈而如何使机车车辆转向架保持良好的动力性能，转向架承载 箱i 苛绪论 缩构具有较高的抗疲劳强度，从而侵得提遮视车车辆转l 柚察在欧期运行申保待良 好的状态，即具有较高冉勺运行可靠性，既是运行部门的迫切要求，也是机车车辆 制造企业需要解决的重要问题。 构架足转向絮的关键波计部位，其结构强度廖接影响车辆的行车安全。轮 对乃是车辆肇重要的部侔之一，英安令、正常酶工作壹褛关系虱列车运行熬安全。 在运行的车辆中，如果要燃换轮列或其中的某些零件，如滚动轴承，轴箱整体辗 钢车轮秘鞭等，都会造成缎大薛开吏“。车辘篷橇车走行部分的鬟要帮 争之。 它如果不可靠，不仅会给用户带柬不便，耽误时间，造成经济损失，甚至可能直 接危及用户的生命安全。 为r 更好的横拟车辆的动态响应状况，我们需要确定其动念载倚进行模拟， 寻找存奁麓遂蕊禳源，并经诗算揆鍪爻为囊实楚接近实际运 于状态，提出瓣决润 题的优化设计方案，改进动态响应特性，并据此提出科学合理的轨道车辆系统总 体运行露嚣髂的蠹泞与管壤方案，凑保攥遮线路运行车蠲豹结秘安全性。 水课题以近年来研发硝：已运行的高速动车组为研究对象，主要采用将计算机 模瓣与理谂分辑霹究捂结合黪方浚嚣动车转惫袈遴纾动叁4 目瘟特搓访宾，分析劳 优化车辆结构来改进动应力特性，进而提商系统疲劳可靠性，满足不断提谴的旅 客列车运，萱安全髋要求，为提速及麓速孰道车辆夔浚诗与管理提供遴论依援以及 有益的借嬷。 1 。4 本文研究的思想和方法 本课嬲的研究足我校与南昌铁路局合作项目的主要部分，课题以高速动车转 囱絮为礤究对象t 誊蕈吾嚣究转囱絮芰要承载都謦出0 ：承受高速运于亍g 起的髓棍动 载荷而产生的疲劳问题，运用可靠性理沦，分析转向架承裁构件以及转向架系统 豹疲劳强度可靠健，并提爨改善可靠瞧豹牾慈。 研究屯要思路是通过承载构件的结构动力响应仿真获得结构危险部位的动 1 , 女h n 程，然后进纷构件黪疲劳可嚣牲分析铁厨达到澍结掇豹运羽安全性予以评 估的目的。至于结构动力响应的输入激励则采用了加速度激励。研究以我阁l f 在 运j 亍兹动车组动车转向架为实捌分褥对象。 随着车辆动力学仿真技术的发展，对r 轨道车辆运行状态的动力性能参数 ( 乒要是力和加速度) ，可以通过动力学仿真获得，但鉴于线路不甲顺的复杂性 以及我国轨道谱编制这瑟础研究的不足，导致动力学仿真的研究缺乏r 旷靠依 据，结果露然缺乏可信度，两动彳乍j ； 力的采集也是缎为困难麴一项工作。掘比丽 吉，加速度是最为方便测试获取的种参数，团而本研究采用加速度作为外界动 篁! 皇些堡 载荷输入模犁进行计算分析。采用这种方法进行研究的另一个优点是可以较方便 地f jf 午辆运行中疲劳状态的监测，这对于车辆运行安全性管理也将是有效的。 种手段。 奉研究具体的思路与方法为： ( 1 )通过对现有提速车辆( 含动车组) 进行的调研，获得车辆的运行 条件以及动载荷或加速度激励的有关数据及资料，了解现存及潜 在的车辆转向架疲劳强度可靠性问题； ( 2 )选择典型转向架，运用成熟的有限元分析软件，建立合理的转向 架主要承载构件有限元模型；通过施加转向架受到的实际动态加 速度激励，计算并分析动车转向架在随机动载荷下的动态响应； 确立模型改进与动车转向架的动态响应特十牛的关系，以及结构动 应力响应与转向架疲劳强度可靠性的关系。 ( 3 ) 为了使仿真具有较高可信度，研究将通过实际线路试验，获得所 仿真对象动车的动力学性能参数，这些参数中，加速度历程用于 车辆动态响应仿真的输入激励，结构选点动应力则是进行仿真结 果验证的重要依据。 ( 4 ) 住此通过验证与改进的基础上，进行转向架动应力仿真，进而计 算转向架构件的疲劳可靠性寿命；确定各种改进措施刘j i 改善转 向架动态响应特性的作用，以及这些动态特性的改进对于转向架 疲劳强度可靠性的意义，提出改善转向架疲劳强度j j 靠性的措施 及其结构全生命周期疲劳强度安全技术管理方法。 篁! 主丝塑垫查堕壁堕塞兰壅! ! 塑壁里堂丝塑窒旦三! 苎堡垩型兰堑里兰一 第2 章结构动态响应仿真与疲劳强度可靠性研究 的基本理论与方法 21 车辆结构动力响应仿真基本理论基础 211 车辆结构动态特性分析的理论基础 研究结构在动载荷作用下所表现出来的动态特性就是结构动力学的基本任 务结构动力学的三个要素是输入( 激励1 系统( 结构本身) 和输出( 响应l 其p 输入 是动态的，即随时问变化的：输出即结构对输入的响应也是动念的。 结构的动念特性中最基本的两个特性就是自由振动和强迫响应自u 者取决于 初始条件，反映的是结构本身的固有特性，后者将取决于外界对结构的输入。 结构动力响应研究构件在各种随时问变化的动载荷( 包括运动物体受到的动 念或瞬念力与加速度，结构承受的地震和冲击波引起的加速度激励等) 作用下的 应力位移等响应特性1 。 把加速度作为激励的动态分析是瞬态响应分析方法之；通过线路实测用加 速度测试仪测得需要部位的加速度，然后以激励的形式施加到模型上，由响应计 算得出结构模型的动应办动应变等，然后进一步分析研究疲劳可靠性由于 j f ：f 1 4 ，凶此，加速度分析也就是l m 的动载荷分析。 瞬态响应激励可以在时间域旱进行详细的定义，所有施加到结构上的载荷在 任意时间点的值部是已知的载荷力既可以是施加的载荷，i 乜可以是强迫运动瞬态 响应分析最差要的结果输出形式包括位移、速度、节点加速度、单元力和单元应力。 2 1 2 动态响应仿真模型 瞬念响应分析以结构和载荷特性为基础，主要可采用两种数值计算方法进行 瞬念响应分析：直接瞬念响应分析哥u 模态瞬态响应分机宜接瞬态响应方法模拟了 完全耦合运动方程；模念瞬态响应方法首先需要利川结构的模念特性系数柬减少 利解耦运动方程，再将各个模态响应相加得到计算结果至小芪采用何种方法进行计 算，完全取决于问题本身。 1 直接瞬态响应 第2 章结构动态晌应仿真与疲劳强度可靠性研究的基本理论与方法 直矮胖念q 应通过直接数值积分法来解“组耦合方程而得到结构的响应。运 动方摆焉矩阵骢形式硼表示成： a ，】 女( f ) ) _ p 【b 】 n ( ，) + k 】 “( f ) = f p ( f ) 结梅基奉响应楚逶过诗舅时矧闯褊为a t 静多个离散射闯点静毽得蜀的。我们蠲 巾问值 衷各个离散叫问点的速度 i ( ，) 和加速度 拼( ，) 1 ： 以) 5 乏i “一虬+ ，) 瓯 2 五 + 1 2 + 一t 势旦在三令浆逐对越点平分载蕊，溺此运动方程可重写为： 斟m 。也鹕。+ ( r n + l - - “, l - i ， + 等 ( “，+ “。十“，) 。；( 只+ ，+ 只+ c i ) 将运动方稃写成通式的形式即为： 【列 “。；= 【4 】+ 【焉】 + 【4 】 一0 肌”参+ 西b + 了kj 2 ；+ 咒十u 仆瞪一等1 f 仆f 万m + 砉一了k 1 矩阵 码】是动态矩阵， 4 是应用载荷( 相邻三点进行平均) 。这种方法与经舆 的j c w m a r k b e t a 直接秋分相似，但是 尸( ，) ) 为三点的平均应力，且当【m 】和【剜 不存在时，f 戈】为动态运动方摇减去静态运动房程f j ： g l 。瞬念晌应结果 遽过分麓【薹l ，并将它饯入主磷方程计算霉裂。这静方法裁豫楚薅每令时闽点数 静态解连成争新的矢崖。 如莱( 时】， 嚣】和【式】矩阵不随时间变化，在整个计算过程 + 是、个常数，此 第2 审结构动态响应仿真与疲劳强度可靠性研究的基本理论。j 力法 时是直接瞬态响应分析最简单的情形。当a t 是常数时这种方法就体现出它明显 的优越性， 4 只需分解一次。而当r 变化时， 彳，】必须被重新分解，因而当 模型较大时，计算量就会十h 当大。 直接瞬态响应法的另一高效性体现存输出时| h j 问隔犬十计算时的时川刮隔。 在许多情况下并不需要将每个计算时间点的值输出。比如，当计算时将时间间 隔设霄成0 0 0 1 秒时，输出时可以每j 个时间段输出一次，即每0 0 0 5 秒输出一 次结果数据。这样可以减少输出数掘的数量。 2 模态瞬态响应分析 模态瞬态响应方法是另一种计算结构瞬态响应的力法。这种方法利用结构的 模态特征系数术减小尺、j ，解糯运动方程。由于模态特征系数可以当作结构特性 之，模态瞬态相应就足模态分析的自然延伸。凼此第一步就是将 “ 转化成 善) “( m = 【】 f ( f ) 模念特征系数 】就是将节点运动转化成模态运动。上式代表了所有模态的情况， 析实际并彳i 是所有的模念都会被使用，因此也只是一个近似值。 同时我们忽略阻尼，运动方程就变成： m l ( t ) + 【k 彻( ，) - 尸( ，) 我们把上式代入( i ) 式，得到： m 儿纠 翔 + 洲州 = ) 这样方程就变成模态坐标下的方程，但仍然是耦合的为了对方程解耦，我们左乘 眵 7 ，得到： 【庐j 7 彳1 】 孝 + 1 7 庀】 驴1 手 = 】7 p ( ，) 这单， 痧】7 m 】 矿 是模念质量矩阵： 【庐n t 矽】是模态刚度矩阵： 【 7 p ( ，) 是模态载荷矢量 最后一步就是利用模念特征系数的i f 交性，用质量矩阵和h 度矩阵来表达运 动方程由于这些矩阵不合肯使方程耦合的非对角矩阵，冈此运动方程是解耦的 运动疗稃又t j 表达成： 第2 章结构动态响应仿真与疲劳强度可靠性研究的荩本理论与方法 这罩m ，是第i 个模态质量 置是第i 个模态刚度 只是第i 个模态载荷 ，哆孝o ) + k i f o ) = p ，( f ) 一旦每个独立的专( ，) 计算出来后，最终的模态解就可表示成这些模态响应的值的 总和： “( f ) = 庐 4 ( 0 ) 自从数值积分运用到运算量相对较小的解耦方程，模态分析就不再会因为 ，的不断变化而计算量大增了但是这在直接瞬态响应中仍然会增加汁算量而 且对于结构比较复杂的模型结构，都采用模念分析的方法，我们这罩也是采用模 态瞬念响应分析方法 刊样，模态瞬态相应分析的另一高效性体现在结果输出时间阳j 隔可以大于实 际计算时咖隔比如，如果计算时时间间隔设置为0 0 0 1 秒，输出结果时可以每 隔0 0 0 5 秒输出一次这样就减少了输出数据量 213 动载荷和加速度谱 影响轨道车辆运行品质的冈素有很多，与轨道有关的包括钢轨接头处的轮轨 冲击、轨道的垂向变形、轨道的局部不甲顺以及轨道的随机不平顺：与车轮结构 有关的有车轮偏心、车轮不均重、车轮踏面擦伤、锥形踏面轮对的蛇行运动；还 有转向架对轮对的约束和轮轨之问的相互作用等。如果我们把转向架构架作为讨 论对象，构架的结构定，而轨道和车体对它的作用以载荷的形式旌加到结构上。 由十轨道的各种变形及f i 平顺，因此构架结构受到的载荷是随时问变化的载荷。 我们把随时f n j 变化的载荷称为动载荷。 动载荷有多种施加形式，有力、压强、均布载荷、加速度等。我们通常采用 力速度作为外界动载荷输入，把利用加速度作为激励载荷当成常用的分析方法。 我们通常采用加速度测试仪测得某些部位的加速度，然后以激励的形式施加到模 型f ，汁算得出模型的动应力、动应变等，以便进行进一步的疲劳可靠性分析研 究。山于f = m a ，从某种意义上讲，加速度分析也就是1 m 的动载荷分析。所渭 加速度谱就是加速度随时间变化的历程“。 第2 辛结构动态响庶仿真与疲劳强度可靠性研究的基本理论与方法 2 1 4 动态响应和动应力的表达 我们把研究对象在动载倚作用下发生的相应变化称为动念响应。而在实际分 析计算过程中，我们会将实际模型简化等效为有限元模型，凼此，动态响应包括 单元力、单元廊力、节点应力、节点位移、单元戍变、单元膨变能、约束力等。 但是我们一股主要把应力、应变作为动态响应输出，尤其是把动应力输出。 山于动载荷足随d ? i n j 变化的载荷，冈此动态响应也是随时间史化的向应，当 然动应力也就是随时问变化的应力。我们把动应力表达成应力随时间变化的历 程，一般以维平面图表示，如图2 1 。若要进行进 步的分析，则需要通过计 数法进行数值统计。 压力 幽2l 动应力时间历利示意剧 22 疲劳强度分析与疲劳寿命可靠性研究基础 2 2 1 构件疲劳应力谱的编制 时f 可 我们通过试验实测运行条件下动力车结构件上测点的动应力并进行编谱，这 是进行结构疲劳寿命及可靠性研究的必要条件，为完成这一工作，首先需对实测 动应力数掘进行预处理，这主要包括零漂处理、小波处辉及各级应力幅值的频次 统计，以确定数据预处理的流程大致如下矧2 2 ： 应力时问历程经循环计数处理之后得到的输出数据文件是整个历程中各次 循坷：的均值和幅值，不仅数据量大，而日是随机变量，因此有必要将这些数掘加 以整理，编制出应力谱，以便了二估算疲劳寿命。 所嘣一维应力谱，就是采用国内外广泛应i l f j 的“波动中心”法，将麻力潜简 化为元随机变量，并以波动中心作为应力循环的静应力分量，幅值作为应力循 0 第2 章结构动态响应仿真与疲劳强度可靠性研究的基本理论与方法 1 滤波处理卜 统计各级应 i 零漂处理 t 】解得t ，则t 就称为帽应于r 的可靠( 度) 寿 命，通常预先确定r = 0 9 0 ，o 9 5 ，0 9 9 等，进而确定产品的t ( 0 9 ) ，t ( o 9 5 ) ，t ( o 9 9 ) 篓! 兰竺塑塑查堕生堕塞兰壁竺塑堡堕堂堂塑塑 4 塑堡垒些堡! ! 型! 苎一 等，只要规定使用的时间小于t ( r ) ，那么，这个产品的可靠度就不会低于r 当 r = o 5 时，十h 应的可靠度寿命t ( o 5 ) 称为“中位寿命”。 2 32 典型的系统可靠性模型 系统是由相互作用和相互依赖的若干单元结合成的具有特定功能的有机整 休。系统的各种特性u j _ 以采用多种模型来加以描述，r j 靠性模型则描述了系统及 其组成单元之间的故障逻辑关系。典型的可靠性模型分为有贮备与无贮备两种， 有贮备l lj 靠性模型按贮备单元是否与t 作单元同时1 作而分为工作贮备模型和 非r 作贮备模型“。见下图2 9 。 幽2 9 典型的可靠性模型 1 串联模型 系统的所有绢成币元中任单的故障都会导致整个系统故障的系统称为 串联系统。串联模型是最常用和最简单的模型之。 1 丑二卜_ 卜 幽2 1 0 串联系统可靠性框图 串联模型的町靠性框图如图所示，其数学模犁为： 式中：r ；【t ) 系统的可靠度；r ，【t ) 单儿的可靠度： 九，( t ) 单元的故障树； n 组成系统的单元数。 2 并联模型 绢成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的系统称为并联系统。 m nj 。盯 = _ 。丌h = r 一 其数学模型为 酬2 1 1 并联系统可靠性框幽 足( ，) = 1 - l - i 1 一r ( f ) 】 式中：r 。( t ) _ 一系统的可靠度；r ( t ) 一一单元的可靠度； n 组成系统的单元数。 此外还有一些模型，如r n ( o ) 模型，即系统中含有n 个单元及一个表决器组 成的表决系统，当表决nj t 常时，正常的单元数不小于( 1 s 咖) 系统就不会故 障这样的系统称j , lr n ( g ) 表决系统，它是工作贮备模型的一种形式。非工作 旷备模型( 旁联模掣) ，即组成系统的n 个单元只有。个币元i 作t 当工作荦- ) t l 故障时，通过转换装置连接到另一个单元继续 ：作直到所有单元都故障时系统 才故障，这样的系统称为非工作贮备系统，又称为旁联系统。桥联模型，即系统 中某些功能冗余形式或替代工作方式的实现，采用的不是并联、表决或旁联模型， 而是一种桥联的形式。因此，在可靠性模型的逻辑描述中出现了类似电路中的桥 式结构逻辑关系，其数学模型的建立较为复杂，通常不能建立通用表达式。我们 把转向架构架的各个零部件之日j 的关系看成是串连的，因此转向架构架就是串联 系统1 2 33 系统可靠性分配 系统叮靠性分配就是将使用方提出的，在装备设计任务书( 或合同中规定的) 可靠性指标自上而下，由大到小，从整体到局部，逐步分解，分配刽各系统、 分系统及设备。可靠性分配的目的就是使各级没计人员明确其可靠性设计要求， 根据要求估计所需的人力、时间和资源，并研究实现这个要求的可能性及方法。 可靠性分配主要是在方案认证阶段及初级设计阶段进行，它是个反复迭代的过 程，应尽可能早地实现。系统可靠性分配就是求解下面的基本不等式： 第2 章结构动态响应仿真。疲劳强度可靠性研究的基本理论1 。方法 r 。( r ；，月，e ，民) r 一一十 g ，( r i ，也月，r ，) g 、 式中：r +一系统的可靠，降指标：只第j 个单元的可靠性指标； 五对系统设计的综合约束条件，包括费用、质量、体积、功耗等凶素。 考虑到可靠性的特点，为提高分配结果的合理性和iz j 行性，, j j 以选择故障率、 可靠度等参数进行可靠性分配。在进行可靠性分配时需要遵循以下几条准则： ( 1 ) 对于复杂度高的分系统、设备等，应分配较低的可靠性指标。因为产 品越复杂，其组成单元就越多，要达到高可靠性就越渊难而且费用更高。 ( 2 ) 埘十技术卜还不成熟的产品，分配较低的可靠度指标。对于这种产品 提出高可靠性要求会延k 研制时间，增加研制费用。 ( ： ) 对于处于恶劣环境条件卜i 工作的产品，应分配较低的可靠性指标。因 为恶劣的环境会增加产品的故障率。 ( 4 ) 当把可靠度作为分配参数时，对于需要长期二i _ ：作的产品，分配较低的 可靠性指标。凶为产品的【- j _ 靠性随着工作时叫的增加而降低。 ( j ) 对于重要度高的产品，应分配较高的可靠性指标。因为重要度高的产 品的故障会影响人身安全或任务的完成。 另外，分配时还可以结合实际考虑一些其它凼素。例如，可达性差的产品， 分配较高的可靠性指标，以实现较好的综合效能等。而日叮靠性分配理论是进 行转向架构架疲劳町靠性设计和建立可靠性管理方案的基础之一”“。 234 系统可靠性设计 所峭可靠性设计，就是运用町靠性理论、方法，根掘给定的可靠性指标对零 部件、整机或系统所进行的设计。简单地说，就是在产品设计时除了要满足其技 术忭能要求外，还要考虑产品安全的概率特性、预防故障的特性和维护的方便 一陆，所以又将- j 靠性设计简单地称为概率设计。l - j 靠性没计是产品现代设计方法 之 ，关系到产品的质量和在市场中的竞争能力。可靠性设汁是一种非确定性的， 以统汁数据和概率论为基础的合理。| 峰设计。u j _ 靠性设汁是一项复杂、系统的工 程，涉及到许多方面，如统计学、概率论、工业管理、运筹学等。在对动车转向 架进行设计的过程中，对现场可能存在的或者由于车辆本身零部件发生的故障以 及设计不合理造成操作失误而出现的一些事故进行了分析，然后将分析的结果及 h t 反馈至0 设计中去，要求设计师在设计时采取一此措施柬避免潜在故障的发生。 根据要求，不仅要对动车转向架进行系统安全保证分析，找出薄弱零件加以改进， 笙! 兰丝丝垫查堕生堕壅兰堕堑堡垒旦塞丝塑窒堕羔兰兰墅垒! 查望l 一 还要运用可靠性理论保证所设计的零件具有规定的可靠度，并进行必要的可靠性 州划与设计j 一| 。= 1 。 根据动车转向架系统的特点和原理建立可靠性模型。首先找出影响行车安全 的主要零部件，如牟轴、车轮、轴承，摇枕、侧架、斜锲、摇枕弹簧等，然后根 据各系统的组成原理和功能绘出系统可靠性逻辑图。 建立可靠性数学模型：把动车转向架系统看作是可修复性的串联系统，其呵 靠性总目标值是特征值平均无故障工作时间和有效度。其中，有效度a 与平均 无故障工作n c f i jm t b f ( m e m t i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 、甲均修复时间m t t r ( m e a n t i m et or e p a i r ) 有关。在设计阶段还要考虑转向架的维修性，使所设汁的系统以及 部件易于维修，从而减少维修时间和费用”“。 根据可靠性逻辑图，建立系统的可靠性数学模型，然后把系统的可靠性特征 量表示为零件可靠件特征量的函数；通过已知零部件的可靠。件特征量计算出系统 的i j 靠忡特征量。 肋r f b f = 7 莓m 哪 a = 丌4 = 丌1 1 ( 1 + k ，m t t r , m t b f , ) l = l，= i 式中：m t b f 一平均尤故障工作时间，表示产品、设计、系统或零部件由f 常到 失效的平均时| 、j ： m ，【b f ，一第i 个子系统的平均无故障工作时桕j ； m t t r 一第i 个子系统的平均修复时问，表示产品、设备、系统或零件由 故障到完全修复的时间； i 一子系统代码： a 一第i 个子系统的有效度，表示零部件，系统、产品或设备等在规定的 条件下和舰定的时间内完成规定功能( 无故障) 的概率。 i 一子系统的数量； k 一第i 个子系统的数量。 失效模式、影响及致命度分析( f m e c a ) ：f m e c a ( f a i l u r em o d ee f f e c t a n d c r i t i c a l l va t r i a l y s i s ) 足种预测和统计设计方法，用来分析产品可能和潜在的相对 严重程度和发，上概率以及产品在使用前发牛故障的可能性，对产品性能有重大影 响的失效模式作出判断，并针对发现的问题提出改进措施。对动车转向架潜在的 故障模式进行分析，确定此故障对转向架性能、可靠运行、人员安全及维修性等 ，i 面的影响，并根据影响的严重程度和故障发生的概率提出可能采取的预防和改 进措施。 第2 章l 、构动态响席仿艇与疲劳搬度可靠性研究恂基本理论与方法 可靠性a 及m t b f 的估算：根据f m e c a 和m a 分析结果，得出各功能单 元失效摸式数失效率x 以及平均修复时阍m t t r ，瑕设以下条件成立。“： ( 1 ) 转向架产品再功能单元失效率里指数分币j ： ( 2 ) 各了系统之i b j 的结构为串联，并且各个功能尊元彼此独立； ( 3 ) 备功能块为串联结构。 黪m t b f = l ，f ；1 f f， 肚i - 1 4 = n 1 ( i + 懈强? 船职) = 1 - 1 i ( i + m t t 撵, 互) 式中：m r 职= 秒磊。 可黧性分配是按系统一子系统一部件一零件自上而下分配的。根据系统可靠 忭目标值m t b f ，按一定的数学方法合理地分配给各个子系统及功能瞥元，确 定每个子系统的- 0 靠性指标，作为单元设计的个重要参数，落实各分系统或部 件的可靠性要求，通过分配暴露系统的薄弱环节迸行设计。设计完成后还必须避 行稠天的叮靠性试验( 如可靠性增长试验、f u 靠性论证试验) ，通过试骏证明没 计的系统楚雨达副规定的目标值。当然系统的可靠性越摘越好， 口同时必须正确 处理4 ：辆产t 钠的可靠t 丰与运用成本的关袋，在一定可靠性的基础_ = 降低成本。提 简系统t 0 靠性，不仅要遴行薄弱环霄零件的改造，两登蘩将可靠性技术贯穿于车 辆研制、制造、浆配，调试，使用、维修和管理等各个坏节。只有这样，才能真 币实现产品高可靠悔的鼯标，发簿其应有的功能。 2 3 。5 豢统霹纛，瀣警璎 j 雾蛙管理跫指产品生命周期中为实现和保证可靠蛙耳撂丽进行的舰划、 组织、协调、控制和临督等活动的总和。可靠性管理工作的内容包括：r ，j 1 靠性目 标规章制度和标准制定，可靠孛生计划、没计与评审、质量认证；l 序控制，试 验检奁、完善提高，质鬣跟踪、状态监测、使崩技术规范指定、技傈维修管理， 可靠性信息管理与交流，技术经济分析，人员培训等。口靠性技术的基本特点是 在产品牛命周期的各个阶段实行全面管理，使设计，制造和使用部fj 丰锚互协调， 共促进产：品，j 靠性小断提高；以试验数据的统计分析为依据，通过信息交流、 反馈和敝障分析，不断镶高产品的可靠性水平；采用事先评定、预测、试验的方 法，提高产品可靠性设计水平，从而降低生产使用成本。因而，可以说“设计是 鼙础、制造是傈i 芷、试验是评价、使甭怒体现、管理是关键”。 第2 章结构动态响应仿真与疲劳强度可靠性研究的摹本理论与方法 23 6 运行安全可靠性 车辆运行安全性是指保障车辆在运用( 正常运行或突发事故) 中保持良好性 能或保护乘员免受伤害的特性。车辆安伞包括性能安令与结构安全性两个方面： ( i ) 性能安全性：性能安全性指车辆在运行、制动及事故过程中避免引起 乘坐一陀能恶化，j 垒伤害乘员的特性。轨道午辆性能安全问题有：运行平稳性，蛇 行大稳，脱轨安全，车辆倾覆稳定性及制动安全等。 ( 2 ) 结构安全十牛：结构安全性指结构在运用及事故中抵御整体失效与避免 危及乘员安全的特性。缔构安全问题有：结构疲劳、结构损伤与破坏，共振，撞 击后的结构坍塌等。 车辆零部件的疲劳破坏将会直接导致车辆运行系统安全可靠性的诞失，这也 是本沦文研究的重点。 第3 章动车转向架构架动态响席仿炱 第3 章动车组转向架构架动态响应仿真 31 转向架构架动态响应仿真思路 3 11 仿真思路和方法 构架动态响应仿真主要分三步进行： ( 1 ) 有限元建模：通过调研了解实际构件的具体结构尺寸，在明确了外部 和内部结构的具体尺寸之后，借助于有限元软件m s c p a t r a n 建立构 件的有限，i 结构模型。 ( 2 ) 通过结构静强度和模态分析模型的j f 确性和可靠性。模念分析时，设 定较大的频