（机械工程专业论文）crh380bl高速动车组转向架结构强跟踪试验研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着我国铁路运输速度的不断提高，铁路运输安全越来越受到人们的关注。 作为高速列车的重要结构，转向架承受和传递着非常多的载荷，它的可靠性关系 到整个列车的安全。为了准确了解转向架在实际运行过程中的受载情况，就需要 对其载荷进行实测。通过对载荷数据的分析，可以真实可靠评价其安全可靠性。 本论文是以实验室对京沪高铁上c i m 3 8 0 b l 型高速列车的长期跟踪测试试验 为背景的，主要是对动车的转向架构架的受载情况进行分析，设法得到真实的载 荷时间历程并编制出可靠的载荷谱，对载荷谱进行统计推断，对比降速前后列车 受载情况的变化，计算关键部位的损伤和寿命，准确的评估车辆的安全可靠性。 本论文的主要内容如下： 1 确定测试方案，在构架、电机吊座、天线梁等位置贴片，其中构架8 个动 应力测点，电机吊座4 个测点，天线梁4 个测点，弹簧和转臂载荷各8 个通道。 连接并调试跟踪设备，进行线路实测获得有效数据。 2 对数据进行处理，得到每一天载荷时间历程，对各个载荷状态下的最值、 幅值、作用频次等进行统计，研究并发现其变化规律，对比降速、镟轮前后的变 化情况，分析降速、镟轮对车辆性能的影响。 3 编制各载荷系相应的实测数据载荷谱，对实测载荷谱进行统计推断，得到 各自的分布特性并检验：检验合格后，将载荷循环次数外推到10 6 次，计算并编制 相应的一维和二维谱。最终将降速前后的载荷谱进行比较分析。 4 对构架进行运营载荷的有限元分析，分析其在极端条件下是否满足材料的 许用应力。对转向架疲劳关键部位的实测动应力进行损伤和寿命计算。选取其中 五个测点，对其损伤随公里数的增加的变化情况进行了统计，并计算得到测点所 对应部位的寿命。 关键词：转向架；构架；载荷谱；损伤；疲劳寿命 分类号：u 2 7 0 a b s t r a c 玎 a bs t r a c t a b s i r a c i ：w i m l ec o n t i n l l o u si m p r o v e m e n to fm es p e e da n dv 0 1 u m eo fc m n a r a i l w a y 垃m s p o r t a t i o n ，p e o p l eg e tm o r e 舭d m o r ea t t 黜【t i o na b o u tn l er a i l w a ys a f - e 哆a s 锄i m p o r t a l l ts 缸u c t u r ef o rh i 曲s p e e dh 嘶n ，b o 西eb e a r sa n dh 雒s m i t sm u c hl o a d ，i t s r e l i a b i l i t yi sr e l a t e dt o l es a f e t yo f m e 船i i l l i no r d e rt 0 l d e r s t a i l dm eb o 舀ei i lm e a c t i l a lo p e r a t i o no ft 1 1 ep r o c e s so f l o a d i l l gc o n d i t i o na c c u r a t d y ，i tn e e d st oc 锄yo nm e a c t u a ll o a dt e s tt oo b t a i nr e l i a b l el o a ds p e 悯t oe v 加a t ei t ss 娟却a n df e l i a b i l i 锣 7 1 1 1 i sp a p e ri sb a s e do nm eb 蜘i n g s h a l l 曲a il l i g l l s p e c dr a i l l a b o r a t o 巧c r h 3 8 0 b l t y p el l i g l ls p e e d 仃a i nl o n g - t e 肌仃a 6 k i n gt e s ts e t ，i t sm a i n l yt oa i l a l y z et h el o a d i n go f l em o t o r b o 百e 舳m e 锄dg e tar e a ll o a d t i l i l eh i s t o 巧a i l d l ep r 印删i o no far e l i a b l e l o a ds p e c 饥n m a k et l l es t a t i s t i c a li n 断e 1 1 c eo nt l l el o a ds p e c 恤胁c o n 缸粥tt ot l l e c h a n g eo f 1 el o a dc o n d i t i o n sb e 蠡ma i l dm e rs p i n - d o w n c a l c u l a t et l l ed 锄a g ea n dl i f e o f 廿l ec r i t i c a lp a r t s a c c l m l t ea s s e s s m e n to fv e l l i c l es a f e t y 锄d r c l i d b i l i t y t h em a i nc o n t e n t so f 廿l i st 1 1 e s i s 锄ea sf 0 1 1 0 w s ： 1 d e t 删n et 1 1 et e s ts c h e m e ，d e t e n n i n em em e a s 嘶n gp o i n ta i l dp a t c ho nb o 百e 、 m o t o rc r a i l eb l o c k 、a i l t e l l l l ab e 锄t h e r ea r e8m e a s 谢n gp o i n t so nt l l eb o 百e ，4 m e a s u d n gp o i n t so nn l em o t o r渊eb l o c k4m e a s u d n gp o i n t so nn l e a n t e i l i l a b e 锄r h e r ea r e8c h 黜l e l so fm es p m gl o a d 瓤l 黜ll o a d d e b u ga i l dc o 蚰e c tm e d e v i c e ，m a k i n gm el i n et e s t 2 p r o c e s s i n gd a t aa 1 1 dg e t 1 el o a d t i m el l i s t o 巧，g e t 廿l es t a t i s t i c so fe a c hl o a d c o n d i t i o no ft h ev a l u e ，锄p l i t u d e ，丘e q u e n c y r e s e a r c ha i l df i n d l a ti t sc h a i l g em l e ， t h e n6 n dt h ec o n t r a s tt om ec h a i l g eo ft l l el o a dc o n d i t i o n sb e f o r e 柚da f t e rs p i n - d o w n a n a l y z et h ei m p a c to ft l l ed e c e l e r a t i o no fm ev e m c l ep 娟m a n c e 3 。d o i n gt h es t a t i s t i c a li n f e r e n c eo nl o a ds p e c 电r u m ，趾dg e tm e i rd i s t r i b u t i o n c h a m c t 耐s t i c sa 1 1 dm a 虹n gt 1 1 et e s t a r e rp a s s i n gi n s p e c t i o n ，i n f e ra i l dw o r k0 u t o n e d i m e n s i o n a ls p e c 仃aa l l dt w o - d i m e n s i o n a ls p e c t r a a tl a s t ，w ea i l a l y z et h el o a d s p e c m j mb e f o r ea l l da r e rs p i n - d o w n 4 m a l ( e 廿1 ea n a l y s i so fm ee x t r a o r d i n a 巧1 0 a do fb o 百e ，m a l 【es u r ei tm e e t st h e a 1 1 0 w a b l es 仃e s su n d e ro p e r a t i o nc o n d i t i o n s c a l c u l a t et h e1 i f ea l l dt 1 1 em a ro ft h ek e y p a n s s e l e c tf i v ep o i n t s ，a d du pt h ec h a i l g e so fd 锄a g ca 1 1 dc a l c u l a t em el i f eo f m e a s u r 锄e n tp o i n t sc o r r e s p o n d i n gt om ep a r t s k e y w o l t d s ：b o 西e ；矗锄e w o r k ；l o a ds p e c t m m ；d 锄a g e ；f a t i g u el i f e c l a s s n o ：u 2 7 0 致谢 本论文的工作是在我的导师金新灿的悉心指导下完成的。从论文的选题到数 据采集分析，再到最后的结果分析，金老师都为我提供了很大的帮助。在此衷心 感谢两年来金老师对我的关心和指导。 在论文的研究过程中，李强老师和任尊松老师也为我提供了非常大的帮助。 李老师在数据处理，载荷谱的推断和编制上给我了很大的启发，任老师在论文撰 稿和修改过程中也给予我很大帮助，在此表示由衷的感谢。 在实验室工作及撰写论文的期间，还得到了缪龙秀教授、谢基龙教授、刘志 明教授、王文静副教授、邹华老师的帮助，在此表示衷心的感谢。 此外，张巳龙、郭忠涛、薛广进、刘志、刘永乾等同学对我论文的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 引言 1 引言 1 1 研究背景及意义 随着科技的不断发展，人们对出行的要求也越来越高，而高速铁路由于具备 速度快、安全性好、正点率高、舒适方便、能耗低等优点而越来越受到大家的关 注。高速铁路运输作为如今最先进的交通运输方式之一，其发达与否代表了一个 国家的核心科技水平。作为一个人口大国，我国在交通运输上的压力一直很大， 所以大力发展高速铁路是解决这一问题的重要途径之一。到目前为止，我国已建 成包括京沪高铁、京杭高铁、广株城际铁路、石太客运专线等在内的多条高速铁 路线，预计到2 0 2 0 年将要修建5 万公里高速铁路。 中国的铁路运输能力在不断的改善，但随着载重量和运行速度的提高，列车 在运行道路上的激扰频率范围也在不断的加宽。而焊接构架的重量越来越轻，它 的固有频率也将会降低，因此其低阶弹性振动就可能会处在激扰范围之内，这就 会使某些部位产生比较大的变形。此外在焊接接头的部位，存在由于几何突变和 焊接缺陷引起的应力集中，此处长成为疲劳强度薄弱部位。如此长期在线路上运 行，应力应变较高部位的损伤将会逐渐累积，达到一定的值后，就会发生疲劳破 坏，严重危及列车的安全运行。 结构的疲劳破坏过程一直是我们所关注的，为了预测结构的使用寿命，可以 将列车的实测载荷时间历程与理论分析结合起来，编制一个具有代表性的载荷谱， 将此作为疲劳分析的基础。因此，可靠真实的载荷谱对疲劳研究有着重要的意义【。 c i m 3 8 0 b l 型动车组是在京沪客运线上运行，该线路具有距离长、坡道多等 特点，为了保证动车组的安全性与可靠性，北京交通大学结构强度检测实验室对 c r h 3 8 b l 型动车组出场之后的技术状态进行全面的监控，搜集动车组载客运营过 程中出现的与安全密切相关的各种故障和问题，并进行系统的分析和解决。本论 文就是以此实验项目为依托，对动车组的动车转向架进行跟踪分析，设法得到构 架的载荷谱，并对其进行统计推断和规律性的研究，并在此基础上结合有限元分 析对动车转向架关键部位的寿命进行评估，为动车组的正常运行提供数据参考。 1 2 国内外研究现状 疲劳强度理论的产生和发展一直都依赖于工程实践。1 9 世纪以来，人们为认 北京交通大学硕士学位论文 识和控制疲劳破坏进行了不懈的努力，在疲劳现象的观察，疲劳规律的研究，疲 劳机理的认识，疲劳寿命的预测和抗疲劳设计技术的发展等方面都积累了丰富的 知识。 最早的疲劳试验是德国w a 艾伯特进行的，他对矿山提升焊接链反复加载， 在1 0 5 次循环后破坏。苏格兰w j w 兰金讨论了机车车轴的破坏，认为是由于运行 过程中金属性能逐渐变坏所致。第一次对疲劳强度进行系统试验的是德国a 沃勒， 他完成了循环应力下的多种疲劳试验。关于平均盈利对疲劳寿命的影响，a 沃勒 指出：在任何给定寿命下引起破坏的应力幅，随着平均盈利的增大而减小。w 格 伯根据a 沃勒的试验数据，对平均应力不为零的疲劳破坏概念以“极限”二字来 表达，在某一给定寿命下都可以画出相应的疲劳破坏极限图，即格伯抛物线。j 古德曼对疲劳极限图提出了简化假设，即用直线连接纵轴上的对称疲劳极限点和 横轴上的强度极限点，以此来代替格伯抛物线。 6 0 年代载荷谱的编制一直被认为是难解之谜。这是因为作用在结构上的载荷 处于“混沌”状态，无序无律的特征使人们长期被许多问题所困扰，它们是：如何赋 予载荷谱以9 0 以上的置信度；典型随机载荷一时间历程的构成；随机载荷迟滞 效应和顺序效应；疲劳谱与断裂谱之区分；高、低载荷的截取；无效幅值的当量 去除；二维疲劳载荷概率密度曲面的拟合等【1 1 。 自2 0 世纪6 0 年代以来，世界各国对结构所承受的随机载荷均采用计数统计 的结果进行载荷谱的编制，例如英国的疲劳计法，荷兰的n l r 法，北大西洋公约 组织的f a l s t a f f 标准方法等。在国内，从7 0 年代开始，无论是民用机械还是航 空部门编制载荷谱时也都借助于计数统计的结果【l 】。 目前，有关载荷谱的研究大多集中在汽车、飞机、摩托车、以及火车等交通 工具上，尤其以针对飞机载荷谱的研究较为常见，这是因为飞机作为目前生活中 的一种特殊交通工具，其安全性能是首要的，并且其更多地在军事上有所运用和 发展，而飞机零部件失效也多为疲劳失效【1 1 。 对于列车载荷谱编制方法的研究，除美国的a a r 机务标准第章新造货车 的疲劳设计从线路实测获得的载荷谱以外，国内外并没有系统的研究工作，大 部分是借鉴航空工业的载荷谱编制理论和数据处理系统。根据飞机载荷谱的编制 理论和方法，北京交通大学机车车辆研究所已研究开发出工程结构数据处理与疲 劳强度评估系统( j p l a s ) 可以对实测信号进行图形绘制、去除零漂、滤波、峰谷 值挑选、小波处理、雨流计数，损伤计算、编制载荷谱等。但是对于高置信度的 中值谱研究和编制工作尚未展开。 对于运营中动车组转向架拖车构架主要受到轴箱垂向载荷、横向载荷和制动 载荷的共同作用。从理论上来说，应该分别对各个载荷进行测试或识别。实际上， 引言 在众多的载荷中，轴箱的垂向载荷和构架的横向载荷是起决定性作用的，其它载 荷在正常情况下对构架强度的影响并不十分明显。所以如果可以准确的获得转向 架轴箱位置的垂向载荷和转向架横向载荷，那么就可以较为准确地确定出作用于 构架上的载荷及其特性。 获得结构载荷的方式大体上可以分为三种。第一种方式是数值仿真法，由于 测试的线路条件、车辆模型、运营工况以及系统非线性参数等方面的限制和差异， 但是数值仿真手段并不可以完全真实地反映列车轴箱弹簧的载荷特性；第二种方 式是载荷识别，虽然载荷识别有多种不同的方法与理论，但其实际效果均不十分 理想：实际上，采用直接测试部件作用力的方法是获得其载荷特性最为理想、直 接和准确的方法【3 】【4 1 。 本次对车辆的长期跟踪试验就是对载荷的直接测量，可以真实可靠的反应列 车在实际运营中的受载情况。通过对实测得到的载荷数据编制高置信度的载荷谱， 研究载荷谱衍化规律，得出概率密度函数，对列车实际运营情况下的载荷统计和 安全性评估提供了依据。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文以京沪线上c i m 3 8 0 b l 型动车组为研究对象，对其进行长期的跟踪试 验。通过对其实测数据的分析与计算，编制在京沪线上可靠的载荷谱，并对比召 回前后对其载荷系的不同影响，最终为制定与我国运营条件相符合的动车组强度 规范和试验标准提供可靠的试验数据依据。 ( 1 )对动车转向架构架进行载荷分析并对载荷进行分解。其中垂向载荷可 以分解为浮沉载荷、侧滚载荷和扭转载荷，它们与弹簧轴箱垂向载荷相关联；横 向载荷则是由转臂载荷计算得到。 ( 2 )试验小组确定各载荷系和各应力测点的测试方案，垂向载荷由测力轴 箱弹簧测量，横向载荷通过对定位转臂的载荷测量而计算得到。 ( 3 )对动车进行长期跟踪试验，测得有效载荷数据，并对数据进行处理。 通过软件计算得到反映各载荷情况的参数并掌握其变化趋势，编制实测数据的载 荷谱。对载荷谱进行分布拟合，得到高置信度的载荷谱分布特性，在此基础上推 导并编制作用频次扩展到1 0 6 次后的载荷谱。 ( 4 )对列车动车转向架构架进有限元分析，对模型进行运营载荷加载并计 算，对疲劳强度进行评估。 ( 5 )对关键动应力测试位置进行损伤计算并分析其变化规律，最终估算关 键部位的寿命。 转向架结构形式和构架的载荷系分解 2 转向架结构形式和构架的载荷系分解 车辆作为高速运行的承载结构，在运行中承载着很多外界载荷，但是由于载 荷具有随机变化的特性，各个载荷问的组合和取值就成为影响结构强度评估的一 个难题。虽然车辆具有几十种单独或联合载荷，但是多年实践证明：车辆结构的 强度、刚度等主要特性取决于一个或几个载荷，其余的处于从属地位。本章节主 要介绍转向架形式，分析作用于动车转向架构架的载荷，将所受载荷进行合理分 解，为合理编制载荷谱打下基础。 2 1c i m 3 8 0 b l 动车转向架简介 2 1 1 动车转向架基本结构 转向架作为车辆最重要的组成部件之一，其设计合理性对车辆的动力性能和 安全性非常重要。本文中c i m 3 8 0 b l 动车转向架应用的是动力转向架，主要由四 个部分组成： 1 轮对和轴箱：轮对作为车辆和线路的联系界面，直接向钢轨传递重力，通 过轮轨间的黏着产生牵引或制动力，并通过车轮的回转实现车辆在钢轨上 的运行。轴箱是连接构架与轮对的活动关节，它除了保证轮对进行回转运 动以外，还能使轮对适应线路不平顺等条件。 2 构架：转向架的基本骨架，用于安装各个零部件，并承受和传递各种载荷。 3 弹簧悬挂装置：主要由弹簧和阻尼器组成。现代动车组车辆一般采用两系 悬挂，一系悬挂装置设在轴箱和构架之间，二系悬挂设在构架与车体之间。 弹簧悬挂装置用来平衡轴重分配，缓和线路不平顺对车辆的冲击，保证车 辆运行稳定性和平顺性，保证车辆通过曲线时使转向架能相对于车体回转 灵活。 4 车体与转向架问的纵向牵引装置：主要用以传递车体与转向架间纵向力， 如牵引力和制动力。 转向架结构如下图2 1 所示： 北京交通大学硕士学位论文 2 1 2 转向架载荷传递过程 图2 1 动车转向架 f i g 2 1m o t o r b o g i e 列车转向架在空间坐标内受到三个方向载荷作用，其传递过程如下： ( 1 ) 垂向载荷 乍体_ 空气弹簧+ 构架轴箱弹簧轴箱车轴斗乖轮钢轨。 ( 2 ) 横向载荷 7 f 体 中心牵引座( 力较人时) _ 横向缓冲挡纵向连接梁+ 构架横梁 空气弹簧( 力较小时) 构架侧梁 _ 啪箱弹簧及轴箱定位节点，辞f | 箱乍轴_ 西i 轮_ 钢轨。 ( 3 )纵向载荷 乍轮乍轴轴箱+ 轴箱转臂定位( 庠) 构架牵引拉杆座中央牵 引拉杆_ 中心牵引庠叶车体_ 车钩 2 1 3 动车构架介绍 c r h 3 8 0 b l 动车组动车转向架为无摇枕、转臂式轴箱定位结构。构架由两根 箱型侧梁和两根无缝钢管横梁组成h 型结构，采用高强度耐候钢板( s 3 5 5 j 2 g ) 压 型焊接而成，耐腐蚀性强。两纵向辅助箱型梁焊接在横梁上方。侧梁为中部下凹 6 转向架结构形式和构架的载荷系分解 的鱼腹箱型结构，其上焊有定位座、抗蛇形减振器座、连杆座以及制动吊座等， 内部有8 块厚度为l o m m 的加强筋板。横梁采用无缝钢管1 9 5m mx 2 0m m ( 中 间1 8 5m mx 1 4 5m m ) ，其上焊有纵向辅助箱型梁、牵引拉杆座。牵引电机和齿 轮箱吊杆通过螺栓紧固在纵向辅助梁端部的安装板上。整个构架结构如图2 1 所 示。 图2 2 动车构架结构图 f i g 2 - 2n l ef r a m eo ft h ep o w 盯b o g i e 1 侧梁；2 横梁；3 纵向辅助箱型梁；4 纵向牵引拉杆座：5 制动吊座： 6 抗蛇形减振器座；7 电机吊座；8 齿轮箱吊库；9 抗侧滚 h 杆座 2 2 转向架结构的参数 2 2 1悬挂参数 轴箱的橡胶关节的刚度 横向刚度 纵向刚度 轴箱弹簧的刚度特性 垂直刚度( n m m ) 横向刚度( n m m ) ： 纵向刚度( n m m ) ： 空气弹簧的刚度特性 1 2 5k n m m 1 2 0k n m m 8 8 8 o 9 1 9 8 9 1 9 8 北京交通大学硕士学位论文 横向刚度 一系垂向减振器 二系垂向减振器 二系横向减振器 抗蛇形减振器 2 2 2 质量与尺寸 表2 1 重量与尺寸参数 2 3 2k n m 1 3 7k n 1 3 7k n 1 lk n 2 5k n 名称动车 超载条件下乘客的质量( w 4 ) ( k g ) ：c 1 1 3 0 3 4 运营中乘客的质量( w 2 ) ( k g ) ：c 2 5 6 4 1 空车( k g ) ：m v 5 6 3 6 4 转向架( k g ) ：m + 8 6 1 6 转向架的轴距( m m ) ：e 2 5 0 0 每个车厢的转向架数量：n b 2 每个转向架的轴数：n e 2 轴重( t ) ： 1 7 轨距( m m ) ： 1 4 3 5 准静态侧滚系数a q o 0 8 动态侧滚系数a d o 0 7 浮沉系数b o 2 垂向力动态变化量 o 3 5 电机质量m 胁，( k g ) 7 5 0 电机扭矩( n m ) 3 1 7 0 电机短路扭矩。( n m ) 1 7 3 0 0 传动比i2 4 2 9 车轮半径 4 6 0 2 2 3材料参数 该转向架构架的主体采用s 3 5 5 j 2 g 钢，该材料的抗拉强度、屈服许用应力等 8 转向架结构形式和构架的载荷系分解 机械性能参数如表2 2 所示。 表2 2 转向架构架用材的基本力学性能 抗拉强度屈服强度 超常载荷运营载荷 类型牌号 屈服许用应力屈服许用应力 ( 田a )( m 田a ) ( a ) ( m 田a ) 3 5 5 ( 母材) 板材 s 3 5 5 j 2 g5 l o3 5 52 2 0 3 2 0 ( 焊接接头) 2 3 动车构架的载荷系分解 在研究某一类结构的疲劳强度的时候，分析清楚该结构所受到的载荷是一个 非常关键的步奏。转向架的构架是位于轮对和车体之间的载荷传递结构，其上部 通过空气弹簧去支撑车体，下部通过轴箱弹簧和定位转臂去连接轮对。转向架受 到多种载荷的作用，本论文只其中的主要载荷进行讨论。我们可以将构架上载荷 区分为以下四种：浮沉载荷，侧滚载荷，扭转载荷，横向载荷【1 】【3 】【4 1 。 2 3 1垂向载荷 轴箱弹簧的垂向载荷是转向架构架所受到的主要载荷之一，准确获取垂向载 荷是评价构架结构强度和研究构架载荷特性的最重要的基础工作。垂向载荷用轴 箱测力弹簧直接测量，按其作用方向可分解为浮沉载荷、侧滚载荷和扭转载荷 3 6 1 。 ( 1 ) 浮沉载荷 浮沉载荷是从垂向载荷分出来的，其大小等于各弹簧力的平均值，方向相同。 其计算公式为： 只= ( 尺i + 尺2 + 尺3 + 尺4 ) 4 ( 2 1 ) 其作用图如下： 图2 3 浮沉载荷 f i g 2 3d r i r i n gl o a d j p 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 侧滚载荷 侧滚载荷也是从垂向载荷分出来的，是一对白相静平衡的力系，同轴侧 方向相反，同侧梁侧方向相同，其计算公式为： = ( 尺l 一尺2 + 尺3 一只4 ) 4 ( 2 2 ) 其作用图如下： 图2 _ 4 侧滚载荷 f i g2 _ 4r d l l i n gl o a d ( 3 ) 扭转载荷 扭转载荷也是从垂向载荷分出来的， 公式为： b = ( 墨一是一是+ r ) 4 其作用图如下： 2 3 2 横向载荷 是一对自相静平衡的力系，其计算 图2 5 扭转载荷 f i g 2 5r e v e r s i n gl o a d ( 2 - 3 ) 动车在运行过程中，经常会经过一些曲线段，而在此时，转向架一方面会承 受车体给的侧向力，另一方面会受到轨面作用到轮踏面上的摩擦力和轨道给轮缘 的横向力。随着运行线路情况的不断变化，横向载荷也在不断的变化。 4 只= 哆 ( 2 4 ) f = i 其作用图如下： 转向架结构形式和构架的载荷系分解 = 二二二二二_ 二二二： 2 4 本章小结 图2 6 横向载荷 f i g 2 - 6l a t e m l1 0 a d 1 本章详细的对动车转向架进行了介绍，分析了转向架受载情况和载荷传递方 式。对构架进行介绍，标明了构架的悬挂参数、质量与尺寸参数和材料的参数， 使我们对构架本身有了初步的认识。 2 对构架所受到的主要载荷进行分解，其中垂向载荷分解为浮沉、侧滚和扭转 三种载荷系，横向载荷由转臂载荷计算得到。 载荷测试 3 载荷测试 3 1 跟踪试验目的 c r h 3 8 0 b l 型高速动车组需要在京沪客专等线路上运营，该线路具有距离长、 坡道多等特点，为保障动车组运用的安全性和可靠性，需对动车组在运用期间进 行持续跟踪试验。跟踪试验就是在不影响列车正常运行的情况下，针对动车组在 服役过程中的功能和性能进行监测的试验，通过跟踪试验，我们可以获取动车组 在实际运用环境( 季节、天气和线路条件) 下和服役过程中相关参数的测量值， 通过测量值研究动车组关键性能指标与服役状态及运用环境的关联关系，结合武 广前期运用维护统计信息、试验数据，对动车组的运用维护乃至今后的研发提供 数据支撑。 3 2 跟踪试验内容 本次试验选取c r h 3 8 0 b l 型动车组第6 2 0 2 列e c 0 1 车1 位转向架进行载荷 及动应力测试。 3 2 1对构架载荷的测试 对载荷的测试分为两种，一个是垂向载荷，另外一个是横向载荷。 ( 1 ) 、垂向载荷 前文已经提到，对载荷的测试最佳的方法是直接测量。对于垂向载荷来说， 我们为了能够直接测试轴箱弹簧垂向载荷，将动车转向架的4 个轴箱弹簧更换为 测力弹簧，通过专业力传感器制作工序，将其做成力传感器元件的形式。它可以 连续记录任意时刻轴箱弹簧载荷变化引起的电压信号输出，此方法实现了对轴箱 弹簧载荷的直接和连续测试。为确保测试结果的可靠性和准确性，每一组弹簧上 有两个测试通道，理论上同一组弹簧上的两个测试通道的测试结果应一致。下图 为安装在转向架上的测力弹簧【5 】【6 】： 北京交通人学硕十学位论文 图3 1 测力弹簧 f i g 3 - ld y i l a m o m e t r i cs p r i n g 图3 2 测力弹簧安装处 f i g 3 21 1 1 s t a u a t i o no fd ) ，1 1 a m o m e t r i cs p r i n g 表3 1 测力弹簧位置列表 测点编号测点位置测点编号测点位置 t 6 1 3 a 一位弹簧轴箱 t 6 1 4 a 三位弹簧轴箱 t 6 1 3 b 一位弹簧轴箱 t 6 1 4 b 二位弹簧轴箱 t 6 1 l a 二位弹簧轴箱 t 6 1 6 a 四位弹簧轴线 t 6 1 l b二位弹簧轴箱t 6 1 6 b四位弹簧轴箱 由于测力弹簧输出的数据是电压信号，为了得到我们所需要的载荷数据，就 需要对专用传感器进行标定。本次试验是使测力传感器经过等级加载进行标定， 建立测试载荷与测试电压的对应关系。根据标定加载量值与电压输 值，拟合出 测力弹簧测试电压与测试载荷之问的对应关系，理论上两通道的测试结果一致【3 1 。 选用其中一个传感器对其进行电压和载荷之问的拟合，其结果如下图。 0：e ：”。 载荷腰 图3 3 弹簧电压载荷拟合图 f i g 3 - 3s p r i n gv o l t a g e l o a df i t t i n gn g u r e 由上图可以看出，测力弹簧的两通道的拟合情况基本一致，而所测得载荷和 1 4 载荷测试 电压值之间的关系是o 0 2 k n m v ，因为输出信号单位是毫伏，所以标定系数定位 o 0 2 。 ( 2 ) 、横向载荷 虽说直接测量是载荷测试最有效的方法，但到目前为止横向载荷并没有理想 的测量方式。本次试验使用的方法为先将转臂制作成测力转臂，再对转臂进行实 测，横向载荷可由转臂的载荷去计算得到。 根据应变片的测试原理，找到合适的应变片的粘贴位置才能准确的测得转臂 的载荷。测点的位置对载荷识别结果的精度具有非常重要的作用，在动应力测试 时，应变片应该选择在结构的强响应区，且尽量避开应力集中部位【4 】【6 】。 通过对定位转臂测试应变片布片位置经过计算和全面分析、比较后确定出该 测试获得的动应力只与定位转臂节点横向力有关，而与其他载荷基本无关。 经过计算、对比后，确定定位转臂横向载荷识别点位置为轴箱定位转臂内、 外侧，如下图： 图3 _ 4 定位转臂的应变片位置 f i g 3 4t h el o a di d e n t i 6 c a t i o np o i n ti np o s i t i o na r r n 本车的动车构架的4 个定位转臂布置8 个测点位置，每个转臂的内外侧分别 布置一个测点，便于更准确的反映横向载荷时间历程。 表3 2 测力转臂位置列表 测点编号测点位置测点编号测点位置 g 6 1 a 一位定位转臂 g 6 8 a 三位定位转臂 g 6 2 b 一位定位转臂 g 6 8 b 三位定位转臂 g 6 7 a 二位定位转臂 g 6 6 a 四位定位转臂 g 6 7 b 二位定位转臂g 6 6 b四位定位转臂 同样对于测力转臂来说也要进行标定，选用其中一个传感器对其进行电压和 载荷之间的拟合，其结果如下图。 北京交通大学硕士学位论文 5 3 乓 出 删2 l o 毂荷髓 图3 5 转臂电压载荷拟合图 f i g 3 - 5t h et 啪b l e rv o l t a g e 卜l o a df i t t i n gf i 目肛e 由上图可以看出，测力弹簧的两通道的拟合情况基本一致，而所测得载荷和 电压值之间的关系是o 0 1 k n 瓜n ，因为输出信号单位是毫伏，所以标定系数定位 o 0 1 。 对于横向载荷来说，其载荷值的大小是通过转臂载荷计算得来的。由于构架 的横向载荷是由转向架上的四个轴箱横向载荷求和而得到的，在车辆的运行过程 中，考虑到列车在过弯道时位于构架同侧的定位转臂的内外侧中间根部( 即贴片 位置) ，同一时刻的应力状态基本一致，即同时受拉应力或同时受压应力；而同 轴的定位转臂在这一位置，同一时刻的应力状态相反。由于所测得数据时应变信 号，在处理应变信号时，乘以材料的弹性模量转化成载荷( 应力) 信号后，并没 有改变应变信号原有的符号。为了计算得到构架的总横向载荷，应对应力信号通 道进行同侧相加，同轴相减的计算，经过通道计算将计算结果放到新的通道后， 就得到构架的总横向载荷时问历程【1 】【7 】【8 】o 3 2 2 动应力的测试 本次试验在测试构架载荷的同时还对关键部位的动应力进行了跟踪测试。对 转向架的动应力测试是分析受力状况的有效手段之一，是评价其疲劳强度的关键。 要准确的测试动应力就需要合理的布片，布片主要原则包括选取应力较大、应力 梯度也较大的部位；通过有限元分析得到受力较大的部位；结合武广线测试结果， 受到动应力较大的点；其它有测试意义的部位。通过这些原则，本次试验的测试 方案和测点布置如下： ( 1 ) 、构架上的动应力测点 1 6 载荷测试 髓 图3 6 构架测点 f i g 3 6t h em 翩舳gp o i n to f b o 舀e 、 图3 7 构架测点 f i g 3 7t h em e a s u 血gp o i n to fb o 西e 图3 8 构架测点 f i g 3 - 8t h em e a s u 血gp o i i l to f b o 百e 1 7 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 、电机吊座上测点 图3 9 构架测点 f 迢3 - 9r i h em e 掇池gp o i n to f b o 西e 图3 1 0 电机吊座测点 f i g 3 1 0t h em e a s u 血gp o i l l to f m o t o rc m n e b l o c k ( 3 ) 、天线梁动应力测点 摹 t _ 一o 。 i h 0 g ，! 终 一 图3 1 1 电机吊座测点 f i g 3 1 1t h em e 嬲u r m gp o i i l to fa i l t e 蛐ab e a m 各测点的位置统计表如下： 1 8 跨 攀。 麓 载荷测试 表3 3 动车转向架测点位置 测点号位置测点号位置 c 1 筋板与下盖板连接处 d l 电机吊座横梁盖板与立板连接端部焊缝处 c 2 抗蛇行减震器座与侧梁上盖板连接处 d 3 电机吊座横梁盖板与立板连接端部焊缝处 c 3 横梁管与连接座连接处 d 5 电机吊座支腿根部 c 4 垂向减震器座与侧梁下盖板连接处 d 7 电机吊座支腿根部 c 5 侧梁下盖板与定位转臂座连接处 a 1 天线梁焊缝根部 c 6 纵向轴箱型梁与纵向拉杆接触处 a 3 天线梁焊缝根部 c 7 安装天线梁的一系减振器座立板根部 b 1 天线梁焊缝根部 c 8 牵引拉杆座与横梁管连接处 b 3 天线梁焊缝根部 个。 本次测试共有测试通道3 2 个，其中弹簧载荷8 个，转臂载荷8 个，动应力1 6 3 3 测试设备及过程 3 3 1测试设备 由于试验测试采取的是长期跟踪测试，所以测试设备的耐用性和可靠性是非 常关键的。测试设备需要经受高温低温、天气变化、灰尘干扰、强烈的振动等恶 劣的条件，对设备本身是一个很大的考验。 本次试验所采用的采集设备是s o m a te d a q 数据采集器，该设备是一个密封 的单机数据采集系统，可以暴露在振动、冲击、灰尘、液体和各种温度下使用， 在及其恶劣的环境下确保测量数据的稳定性和准确性。设备可以容纳数百个同步 通道，并具有顶级的模拟，数字i o ，车辆总线，g p s 调理功能。在基于以太网络 系统情况下，通道数可以无限增加。 由于本次试验是长期的跟踪试验，如果动用人力随车在线路上长期运行，这 必然会浪费人力资源，同时也会由于人的操作导致测试精度的降低。而此设备具 有大容量的存储器，可以将实测数据存储数日。试验人员可以在每日车辆回动车 段的时间去对数据进行采集。 在将设备连接并调试好后，又在设备上加装了无线路由器，这样可以省去开 裙板的时间，缩短了数据下载的时间。 1 9 北京交通大学硕士学位论文 3 3 2采集过程 图3 1 2 数据采集设备 f i g 3 一l2a c q u i s i t i o ne q u i p m e n t ( 1 ) 测试路线 京沪高速铁路，简称京沪高铁，作为京沪快速客运通道，是中国“四纵四横” 客运专线网的其中“一纵”，也是中国中长期铁路网规划中投资规模最大、技术 水平最高的一项工程。线路由北京南站至上海虹桥站，全长1 3 1 8 公里。 ( 2 ) 测试过程 本次试验采集过程历经1 0 个月，其中采集到有效数据的共五个月，期间还经 历了动车召回降速等情况。其中采集天数共4 1 天。数据采集地点在北京，每天往 返路程2 3 6 3 公里。( 采集数据的载荷时间历程如图3 1 3 ) 图3 1 3 载荷时间历样 f i g 3 - l3l o a dt i m eh i s t o r y 2 0 3 4 本章小结 1 首先说明了本次试验的目的，就是为了测试动车运行中的安全稳定性及提供 数据支持。 一 、 2 详述了试验内容，分别说明了载荷测试和动应力测试的方案。 3 介绍了测试设备和测试过程，共采集数据4 l 天j 运营重程达2 3 4 3 8 3 公里。 2 l 载荷衍化规律及载荷谱编制 4 载荷衍化规律及载荷谱编制 4 1 数据处理流程 试验测试结束后，要对实测数据进行分析处理，我们选用实验室研制的数据 处理软件m y c o d e 进行数据处理，得到我们所需要的结果。 1 、载荷一时间历程的获取 由于本次对于载荷和动应力的测试是通过制作测力弹簧和测力转臂而测量 的，测量信号通过放大器传出，我们所得到的第一手信号是电压信号，而非我们 需要的载荷信号，这样就需要先对电压信号进行转换。 对于弹簧和转臂来说，我们已经对其进行了标定，得到了相应的标定系数。 其中弹簧是o 0 2 ，转臂是o 0 1 ，我们测得的电压信号的单位是毫伏。如此我们将 各实测信号乘以相应的系数就得到了我们所需的载荷时间历程。 而对于动应力测点来说，由于我们是通过贴应变片去测量的，所以我们得到 的信号是由于应变片发生形变而产生的应变时间历程，而根据不同材料的弹性模 量与应变的关系可以得到相应的动应力【1 】【4 】【7 】： 仃= e 占( 4 1 ) 其中仃为动应力；e 是弹性模量；s 是产生的应变。 2 、通道计算 在将电压信号和应变信号转换为载荷信号后，要将各单独的载荷时间历程计 算得到我们所需要的载荷系的时间历程。 上文已经提到，我们将弹簧载荷和转臂载荷通过计算分别得到浮沉载荷、侧 滚载荷、扭转载荷和横向载荷。 3 、未调平衡处理 未调平衡处理是为了消除一些静载荷对转臂及动应力测试的影响，使测试的 初始值回归到零点的一种方式。在处理转臂数据和动应力数据时要进行这一步处 理。但是对于轴箱弹簧来说，它本身在静止的条件下就会受到车体给它的压力， 这是事实存在的，为了使数据符合实际情况，我们可以视弹簧是静载荷与动载荷 的相加值，故不对弹簧的载荷进行未调平衡处理。 4 、去除零点漂移 由于车辆在线路上实际运营会受到很多来自外界的干扰，而用于测试的应变 片和测试设备等也同样暴露在这些干扰下，经过长时间的运营，这些测试信号会 产生零点漂移的现象。为了使处理后的数据准确可靠，我们在处理过程中需要对 北京交通大学硕士学位论文 实测数据进行消除零点漂移的处理。 5 、异常信号的处理 异常信号是指那些超出实测参数正常值范围的干扰值，一般是由外界干扰或 记录系统本身引起的，有的来源则不是十分清楚。干扰值的幅值一般大于实测参 数，而且变化急剧，如果不处理掉，编制的载荷谱就失去了可靠性和真实性。因 此，在数据处理过程中应将异常信号剔除，以便保证载荷谱的可靠性和真实性。 下图是实测数据中的某一处出现的异常信号，我们利用处理软件，可以选中 异常信号的前后两段，也就是图中a 、c 两点，再选择两点之间连成直线，将异常 信号去除。 f f ( d 捌涂前 剃豫撕 图4 1 异常信号的去除 f i g 4 1p r o c e s s i i l go fa b n o m a ls i 弘a l s 6 、滤波处理 由于动车的往返运行是一个有规律的运行，在运行过程中，一些通道会出现 比较大的干扰，而这些干扰经常是有规律的。如此，我们可以通过频谱分析等方 法去找出信号的干扰频带，然后通过所用软件自带的滤波器去除这些干扰。本次 论文中的滤波采用低通滤波，通带最大阻耗为o 5 h z ，而通带截止频率为4 0 h z 【2 】【9 】。 7 、挑选峰谷值 对车辆的性能跟踪试验主要是监测其疲劳寿命，在对疲劳进行研究时，载荷 时间历程中的极大值和极小值是我们关心的，而在极值之间的其他数据我们可以 滤去，在编谱之前，我们需要先挑选测试数据的峰谷值。 8 、小波处理 对于次级波，其中会有很多对损伤不产生影响的小波，而这些小波需要被处 理掉。而本论文所选择的小波处理门槛值是载荷幅值的1 0 。 4 2 实测载荷谱的编制 2 4 载荷衍化规律及载荷谱编制 在对数据进行完以上操作后，接下来就要对其编制相应的载荷谱、应力谱。 列车在行驶过程中，转向架的受载是一个连续的随机过程，而其中的一些载荷对 转向架的安全可靠性影响很大，通过我们对转向架的长期跟踪试验，编制出相应 的载荷应力谱，这对评估转向架安全性和寿命都有很大的作用。 4 2 。l 雨流计数法 编制载荷谱，要将连续的载荷一时间历程离散成一系列的峰谷值，并进行循环 计数统计处理，这就是“循环计数法”。计数法很多，由于本论文研究的载荷谱内 容包括载荷幅值和载荷均值两个参数，所以要选用一种双参