（车辆工程专业论文）6k机车牵引座载荷分布特征及其结构延寿的研究.pdf

北京交通人学硕十学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：6 k 机车由于长期重载、疲劳的影响，导致其牵引座出现不同程度的裂纹； 鉴于目前疲劳裂损情况越来越严重，随时可能造成机车行车事故，因此急需一种 安全、可靠的牵引座结构延寿方案，以确保6 k 机车能安全的继续服务于我国铁路 运输事业。 本论文结合洛阳机务段的意见与要求，以工程研究项目6 k 机车牵引座载荷分 布特征及其结构延寿为研究内容，首先进行了机车实际运营工况下牵引座载荷信 号的实测，然后通过平均应力修正以及载荷识别等编制了六个牵引座对应的载荷 谱；为了全面了解载荷谱母体的分布形态，本文借助m a t l a b 软件，对载荷谱进 行了统计推断和适应性检验，然后将各级载荷的实测与理论频数进行了比较，并 给出了相对误差，最后利用概率计算的方法推断了其最大载荷。 基于理论分析，给出了裂纹产生的原因，明确了牵引座结构延寿改进的目标 与依据，借助a n s y s 有限元建模与计算，得到了各延寿方案在推断最大载荷下的 响应特点，通过比选，确定了牵引座的最佳延寿方案；为了确保延寿改进后牵引 座的安全、可靠，对首台延寿改进机车进行了跟车动应力测试，研究中采用s - n 曲线和m i n e r 线性疲劳累积损伤准则计算了关键部位在不同延长寿命下的损伤等 效应力幅，进行了延寿改进牵引座的疲劳强度评估。 最后，论述了焊接质量对牵引座疲劳强度的影响；并在全路资金紧张的大背 景下，对6 k 机车牵引座延寿的经济效益做了评估。 关键词：牵引座；载荷谱；统计推断；有限元计算；延寿；疲劳强度 分类号：u 2 7 0 3 i i i 北京交通人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：a sar e s u l to fl o n g - t i m eh e a v yl o a da n df a t i g u e ，c r a c k so fd i f f e r e n t d e g r e e sb e g i nt oe m e r g ei nt r a c t i o ns e a t so f6 kl o c o m o t i v e i nv i e wo ft h em o r ea n d m o r es e r i o u sd a m a g es i t u a t i o n ，t r a n s p o r t i o na c c i d e n tm a y h a p p e na ta n yt i m e ，s ot h e r e i sa l lu r g e n tn e e do fas a f ea n dr e l i a b l et r a c t i o ns e a t sl i f ep r o l o n g a t i o np r o g r a mt ol e t6 k l o c o m o t i v ec o n t i n u et os e r v et h ec a u s eo fo u r c o u n t r y sr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns a f e l y i nt h i sp a p e r , c o m b i n e dw i t hv i e w sa n dr e q u i r e m e n t so fl u o y a n gl o c o m o t i v e d e p o r t s ，t h ee n g i n e e r i n gr e s e a c hp r o j e c tl o a dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r e l i f ep r o l o n g a t i o nf o rt r a c t i o ns e a t so f6 ke l e c t r i cl o c o m o t i v ew a ss t u d i e d t h et r a c t i o n s e a t sl o a ds i g n a la c q u i s i t i o nw a sd o n eu n d e ri t sa c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，b yt h e a m e n d m e n to ft h em e a ns t r e s sa n dl o a di d e n t i f i c a t i o n ，s i xt r a c t i o ns e a t sl o a ds p e c t r u m s w e r ed o n e i no r d e rt oh a v eam o r ec o m p r e h e n s i v e u n d e r s t a n d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o no f t h em o t h e rs a m p l e ，w i t ht h eh e l po fm a t l a b ，s t a t i s t i ci n f e r e n c ea n df i t t i n gt e s tw a s p r o c e s s e d ，u l t i m a t e l yw i t hr e l a t i v ee r r o r ，c o m p a r e dt h et h e o r e t i c a la n dm e a s u r e dl o a d f r e q u e n c y u s i n gp r o b a b i l i t yc a l c u l a t i o nm e t h o d ，t h em a xl o a dw a si n f e r r e di nt h ee n d b a s i n go nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i sp a p e rd e t e r m i n e dt h et a r g e ta n dg r o u n d sf o r t h es t r u c t u a li m p r o v e d ，t h r o u g ha n s y sf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n , w ec o m p a r e dt h e r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ct ot h em e a s u r e dl o a do fe v e r yl i f ep r o l o n g a t i o np r o g r a m s ， a r r i v e dt h eo p t i m a lt r a n s f o r m a t i o no ft h et r a c t i o ns e a t sa tl a s t i no r d e rt oe n s u r et h e i m p r o v e dt r a c t i o ns e a ti ss a f ea n dr e l i a b l e ，w ec a r r yo u tt h ea c t u a lm e a s u r e m e n to ft h e d y n a m i cs t r e s so nt h ef i r s ti m p r o v e dl o c o m o t i v e ，a n da p p l yt h es - nc u r v e sa n dm i n e r l i n e a rc u m u l a t i v ed a m a g el a wo nt h ec a l c u l a t i o no ft h ee q u i v a l e n ts t r e s sa m p l i t u d e ， d i f f e r e n tl e v e l so fe x t e n d e dl i f e ，o ft h ek e yp a r t s ，m a k i n gw h o s ef a t i g u es t r e n g t h a s s e s s m e n t a tl a s t ，t h ei m p a c to fw e l d i n gq u a l i t yt ot h et r a c t i o ns e a t sf a t i g u es t r e n g t hw a s s t u d i e d a n dt h i sp a p e rm a k e sab r i e fc o s t e f f e c t i v e n e s sa n a l y s i so nt h et r a c t i o ns e a t s r e i n f o r c e m e n ti nt h ec o n t e x to ff i n a n c i a ls h o r to ft h ew h o l er a i l w a ys y s t e m k e y w o r d s ：t r a c t i o ns e a t s ；l o a ds p e c t r u m ；s t a t i s t i ci n f e r e n c e ；f i n i t ee l e m e n t c a l c u l a t i o n ；“f ep r o l o n g a t i o n ；f a t i g u es t r e n g t h c i a s s n o ：u 2 7 0 3 i v 北京交通人学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，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位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文储躲铅蚴签字嗍吖年石月，7 日 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：钇铭磊 导师签名： 叫劾a j 签字日期：26 呷年6 月日 签字日期： 哆年p 以 ， o 致谢 本论文是在我的导师刘志明教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、模型 的建立与有限元分析、数据测试、论文的编排到最后出稿的整个过程，刘老师都 倾注了大量的心血。两年来，刘老师以其精深广博的学识、严谨治学的态度、启 发式的指导方式、宽阔的胸襟和高尚的师德，使我铭记在心并终生受益。同时， 刘老师在日常生活中也给予了我极大的关心和帮助。在此，向刘老师致以最诚挚 的谢意与祝福! 在论文的研究过程中，还得到了缪龙秀教授、李强教授、谢基龙教授、金新 灿教授、王文静老师和邹骅老师的关心与指导，他们在学术上给予了我极大的帮 助，使本人的论文得以顺利完成，在此表示衷心的感谢! 同时，本文还得到了王斌杰博士的指导；张永贵、于兆华、毛贺、沈艳祥和 实验室其他同学在学习和生活上也给了我很大的帮助，在此，向他们表示我的感 谢之情。 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学业。 l l 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 1 研究背景 1 绪论 近年来，随着我国经济的快速发展，铁路货运的压力也越来越大，铁路机车车 辆的安全行驶是完成运输任务的重要保证。转向架是机车的重要组成部件，而牵引 座又是转向架和车体之间的连接装置，对机车的安全运行有着重大的影响。 本文研究的6 k 型电力机车于1 9 8 6 年底从日本进口，共8 5 台，全部配属郑州 铁路局洛阳机务段，主要担当我国铁路主干线陇海线的郑州至三门峡区段的货 运牵引任务，机车平均总走行已达2 1 0 万公里以上。该型机车设计思路超前，采 用技术先进，制造工艺精良，比国产电力机车及同期进口的其他机型的电力机车 有较多优点。 由于机车运行区段线路基础条件差，长大坡道区段多，牵引重量也不断增大， 设计牵引重量为3 5 0 0 吨，目前牵引重量逐渐增加到4 5 0 0 吨，并且按照目前陇海 线的货运压力，牵引吨位有可能还要增加。6 k 型电力机车已经运行了2 0 年，已达 到其使用寿命上限，机车结构已经进入了疲劳期，再加上长期的严重超载牵引， 其传递机车牵引力的牵引座于1 9 9 4 年开始出现不同程度的裂纹，随着时间的延续， 裂纹数量和长度都有所增加。2 0 0 1 年后，牵引座裂纹急剧增加，并且裂纹长短不 一，具有一定的普遍性，严重危及了行车安全。按日本人的设计要求，该型机车 须进行报废处理。但由于目前全路资金紧张，无力更新机车，该型机车还须运用8 至1 0 年。机车其它部件均能通过互换修理，延长其使用寿命，唯独牵引座因其设 计制造方面的独特性，无法进行互换更新，另外，对牵引座的维修有时候需要架 车，极为不便。 1 2 工程意义 机车车辆牵引装置是保障行车安全的关键部件，因此对6 k 机车牵引座出现的 裂纹必须重视起来，它出现的裂纹属于疲劳裂纹。目前世界上各个国家的工业事 故中有很多都是出自疲劳破坏，疲劳断裂事故最早发生在1 9 世纪初期，随着铁路 运输的发展，机车车辆的疲劳破坏成为了工程上遇到的第一个疲劳强度问题。 从我国货车装备技术近十余年来的发展情况看，疲劳破坏是货车结构失效的 北京交通大学硕士学位论文 绪论 主要形式。货车结构没有发生明显的塑性变形，却过早地产生疲劳裂纹，破坏十 分突然，显著低于设计寿命。而且往往造成灾难性事故，引起巨大的经济损失。 疲劳破坏严重的制约了铁路货运的运营和发展。 近几年中国铁路正在经历着跨越式的发展，铁路经历了几次大的提速，尤其 是引进动车组项目后，对机车车辆的安全性便提出了更高的要求，同时也给从事 结构疲劳强度研究的工作者提出了新的问题。6 k 牵引座裂纹的存在，严重危及机 车的运行安全，影响铁路跨越式发展的时代要求，这就需要我们积极采取有效的 改进措施，抑制该裂纹的发生。 6 k 机车牵引座承受随机交变载荷，得到目前机车实际运营情况下的牵引座载 荷分布特征，是牵引座疲劳强度研究的重要内容，能够为以后牵引座的疲劳设计、 试验、寿命预测等奠定一定的基础，对以后类似结构的新造牵引座相关参数的选 择也具有一定的借鉴作用。 6 k 机车牵引座结构延寿的研究，能使6 k 机车继续服务于我国铁路货运事业， 为我国铁路事业的发展、经济的增长贡献力量。尤其是在全球经济危机的今天， 6 k 机车牵引座的延寿改进，不但节省了更新机车的资金，而且减少了机车维护工 作量与成本，对缓解全路资金紧张的局面有积极的意义。另外，此项研究对于消 除目前6 k 机车的行车隐患、应对将来可能的牵引吨位的增加，无疑具有重要的现 实意义。 最后，6 k 机车在恶劣线路、重载牵引下牵引座的载荷分布特征及其结构延寿 的研究对于日后在设计的源头就实现结构的免维护、保证结构的疲劳强度也有着 积极的借鉴作用。面对新的挑战，其实也是一个机遇，通过国家对铁路安全的重 视，一定会促进我国关于铁道车辆疲劳强度的研究，使我国在这一领域的研究跨 向更高的台阶。 1 36 k 机车牵引装置简介及裂纹情况 3 b o 轴式机车转向架为两轴转向架系列，相对于2 c o 轴式机车转向架，其固定 轴距要小得多，因此，在多弯道小半径曲线的线路上能充分发挥其曲线通过能力 好的特点，轮缘磨耗约为2 c o 轴式机车的一半，但目前世界各国投入使用的3 b o 轴 式机车数量不是很多，究其原因主要是技术相对复杂，成本相对较高。在结构上 两个端转向架与中间转向架有较大的差异，尤其是牵引装置及转向架相对车体的 横动装置的不同，造成端转向架与中间转向架只有部分零部件能互换，从而给设 计、计算、备料及制造带来不便【l 】。 从牵引装置的结构来看，3 b o 轴式机车牵引装置可以分为单牵引拉杆结构、“z 2 北京交通人学硕十学位论文绪论 形牵引拉杆结构和中心销结构三种。 6 k 型电力机车采用的是“z ”形牵引拉杆传动方式，我国大同机车厂与株洲电 力机车研究所于1 9 9 3 年联合研制的s s ，型电力机车也采用了这种传动方式，车体上 装有六个牵引座，通过六根牵引拉杆分别与三台转向架呈“z 形联接，这有利于 机车通过曲线和防止轴重转移，借助于电气轴重转移补偿，能获得较高的粘着性 能，这对于货运的大功率机车充分发挥牵引力尤为重要。牵引装置的联接方式为： 车体上的六个牵引座与斜牵引拉杆依靠大螺母联接，斜牵引拉杆、水平牵引拉杆、 三角连杆、横向拉杆分别通过圆销联接，从而使得转向架与车体呈“z 形联接。 牵引力的传递依次由轮对、轴箱、轴箱拉杆、构架、“z 形牵引装置、牵引座、 牵引梁、到缓冲装置及车钩【2 】。牵引座是用四块9 r a m 厚的普通钢板焊接成而成的箱 体结构，按i 端左右依次分为左一、左二、左三、右一、右二和右三。图1 1 和图 1 2 分别为牵引装置和牵引座示意图： l 一牵引座2 一斜牵引杆3 一水平拉杆4 一三角拉杆5 一横向拉杆 图1 16 k 电力机车牵引装置示意图 f i g l ld e v i c es k e t c hm a po ft h e6 ke l e c t r i cl o c o m o t i v et r a c t i o n ( c ) 注：图中补强筋为洛阳机务段所采取的临时“修补”措施。 图1 - 2 牵引座示意图 f i g l - 2t h e s k e t c hm a po ft r a c t i o ns e a t s 牵引座与车体底架的联接如图1 2 ( a ) 所示，左侧为牵引拉杆侧，与车体呈9 0 0 3 北京交通大学硕+ 学位论文 绪论 焊接；右侧为非牵引拉杆侧，与车体呈1 0 5 0 焊接。由现场观察，裂纹多数发生在 牵引座与车体底架焊缝处，近似于一条直线，并有向外围的发展趋势，如图1 2 ( c ) 所示。表1 1 是历年来牵引座裂损的数量统计，可以看到，2 0 0 1 年以后裂纹数量 急剧增加；经过对2 0 0 2 年至2 0 0 3 年期间产生的1 5 8 个牵引座裂纹进行汇总后分 析发现，约7 6 牵引座裂纹集中在非牵引拉杆侧与车体底架焊接处；裂纹长度大 于1 0 0 m m 的占8 0 。经对其进行打磨统计显示，发现深度小于3 m m 的占3 0 ， 深度大于3 m m 的占7 0 。根据裂纹的发展方向、形状及受力情况分析，认为属于 运用疲劳裂纹。 表1 1 牵引座历年损伤数量统计表 t a b l e l l t h en u m b e ro f i n j u r yt r a c t i o ns e a t so f c a l e n d a ry e a r 慰童 右1右2右3左1左2左3合计 年笏 9 4 年 1l 9 5 年 2l1 51 8 9 6 年 222l7 9 7 年1 1542 0 9 8 年 l 23 0 1 年 54 32 11 91 2 6 4 0 2 年 51 1 1 4 3 7 2 53 3 1 2 5 0 3 年91 0 1 0 5 5 3 32 4 1 4 1 合计 2 02 52 91 3 l8 58 93 7 9 百分比( ) 5 36 67 73 4 62 2 42 3 5 1 4 本论文的主要内容 本论文以工程研究项目：6 k 机车牵引座载荷分布特征及其结构延寿的研究为 平台，结合洛阳机务段的意见与要求，主要进行了以下主要工作： 1 两次动应力测试与相应数据处理：包括实测信号的去除零点漂移、去毛刺、 滤波和小波处理等。 2 介绍了文中相关的基本原理与方法：载荷谱编制理论、载荷识别理论、统 计推断理论、以及结构延寿改进的力学基本原理、有限元法等。 3 牵引座载荷谱的编制：基于机车实际运营情况下的实测动应力数据，通过 4 北京交通大学硕士学位论文 绪论 等损伤的原则将非零平均应力的应力循环等效转换为零平均应力的应力循环、载 荷识别等编制了相应的载荷谱。 4 载荷分布特征的统计推断：对编制的载荷谱进行统计分析，确定了其载荷 幅值频率的分布特征，并对分布函数进行了适应性检验，然后将各级载荷下理论 与实测频数做了比较；最后利用概率计算的方法推断了其最大载荷。 5 有限元建模：按照洛阳机务段提供的图纸，建立了6 k 电力机车三个代表性 的牵引座a n s y s 有限元模型。 6 基于理论分析，给出了裂纹产生的原因，明确了牵引座结构延寿改进的目 标与依据，结合有限元计算，分析了各个延寿方案在相应载荷下的响应特点，通 过比选，确定了最终的结构延寿方案。 7 为保证对延寿改牵引座的疲劳可靠性，对机车进行了跟车动应力试验，利 用s - n 曲线和m i n e r 线性疲劳累积损伤准则，计算了关键部位在不同延长寿命下 所对应的损伤等效应力幅，进行了牵引座的疲劳强度评估。 8 论述了焊接质量对牵引座疲劳强度的影响，并对此次牵引座延寿改进的经 济效益做了简单的评估。 5 北京交通j = 学硕士学忙论文 牵引座载荷谱的测试与编制 2 牵引座载荷谱的测试与编制 6 k 电力机车在实际运营过程中，牵引座所受的载荷是一个连续变化的随机过 程。由于机车的变速运动和转向架的蛇形运动，导致了载荷为不稳定的冲击、交 变载荷；同时牵引座在机车运行当中会发生比较大的变形，因此牵引座破坏应 为疲劳破坏，大量的科学研究已经表明，当构件承受波动载荷时，可能在比静载 荷条件下低得多的载荷值下导致损坏0 1 。于是，掌握牵引座在实际运营工况下所受 载荷的时间历程及其变化规律，并编制出适合实际运营情况的载荷谱，是对牵引 座进行有限元分析、疲劳设计和结构改进、延寿的先决条件。 2 1 试验车辆、线路和工况 试验车辆：6 k0 0 2 号机车。 试验线路：陇海线i 门峡洛阳区问往返，行程约为2 8 8 公里。该区间路况比 较恶劣，有1 1 1 3 的连续上坡道3 0 k m ，线路曲折并且道钟繁多。 试验工况：i 门峡一洛阳牵引重量4 4 5 6 吨 洛阳一三门峡牵引重量4 4 0 8 吨。 测点位置：测点选在各个牵引拉杆中部，如图2 一l 所示。 图2 - 1 牵引拉杆现场洲点图 h 口2 - 1t e s t i n gp o i n tp o s i t i o no f t h e t r a c t i o nb a r 图中径向应变片为温度补偿片，补偿因温度变化而产生的表观微小应变对测 试效果的影响。各个测点进行全程连续采集，以保证测试数据的完整性。并且试 验线路为6 k 电力机车的实际运营线路，试验机车载重量与实际运营中的最大牵引 吨位( 4 5 0 0 吨) 基本一致，保证了测试载荷与实际的一致性。 北京交通人学硕士学位论文牵引座载荷谱的测试与编制 2 2 牵引拉杆信号的采集与处理 机车牵引拉杆的应力变化是一个连续的随机过程，自4 0 年代以来，虽然各种 试验应力分析方法和手段层出不穷并同益完善，但是对于结构应力时间历程的采 集，目前仍通过应变测量系统获得。下图为典型的应变测量系统，由应变片、应 变片电路、记录仪器和分析仪器组成。 氏 入 入 应变片应变片电路 记录仪器分析仪器 少 图2 - 2 典型的应变测量系统 f i 9 2 2t y p i c a ls t r a i nm e a s u r e m e n ts y s t e m 本次动应力测试的应变片选用箔式应变片，这种应变片能很好的反映构件的 变形；其蠕变较小，横向效应很小，测量精度较高，并且其耐热耐湿性好，适合 在恶劣环境中使用。但由于所测应变非常小，不易于用万用表直接测量，所以还 需要采用某些测量电路，将电阻的相对变化的测量转换为电压或电流变化的测量， 再经过适当的信号放大，便可方便精确地直接测量和显示应变。本次测试中使用 的是全桥应变片电路，这种电桥具有相当高的测试灵敏度，且具有温度补偿作用。 图2 3 全桥接线图 f i 9 2 3f u l l - b r i d g ec i r c u i tw i r i n gd i a g r a m 记录仪器采用安捷伦科技有限公司研发的安捷伦数字式动态信号采集系统， 全程连续采集，得到各个测点的应变时间历程。安捷伦拥有3 2 路输入通道同步采 集，采用u s b 接口，笔记本、台式机均可使用，不占用任何扩展槽；该测试系统 具有智能化、模块化、网络化、智能化和万用性等特点；具有良好的适用性，u s b 总线供电，无需外接电源；具有良好的抗振动性，特别适合于野外恶劣环境、车 载、机载试验。 7 北京交通人学硕士学位论文 牵引座载荷谱的测试! ，编制 蚓2 4 安捷伦数字式动态信号采集系统 f i 9 2 - 4 a g i l e n t d i g i t a l d y n a m i cs i g n a l d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m 采集过程巾采h j 接公共地线的办法减少噪声的干扰，保证测试数据的真实可 靠性。跟车采集完数据后，马上就要处理相关数据，以下是常用动态应变数据处 理的流程 凹2 - 5 动态麻变数据处理步骤 f i 9 2 - 5d y n m i cs t r a i n d a t a - p r o c e s s i n gs t e p s 从理论上讲，试验前的应变输出是零，在停车后动态应变仪的输出信号也应 该是零，但实际上由于各种原因的存在，即使在恒温、恒湿的环境中，在试件不 受力的情况下，动态应变仪的输出信号对于零线有一个明显的偏移，这就是所谓 的测试信号零点漂移现象。零点漂移的存在，使得测试丌始后，整个有效信号也 会随之发生漂移，与实际发生偏差，因此需要对实测信号进行去除零漂处理这 样以来，再根据胡克定律转换得到的应力信号才是可靠的；与此同时，在机车实 测过程中，难免会有个别通道的信号出现大的干扰，对于这种情况，只要干扰是 有规律的，就可以通过频谱分析找出信号的主要的干扰频带，然后再用数字滤波 器将干扰成分滤掉。最后，在应力时间历程的测试过程中，还有一些干扰信号很 难被消除掉，比如，列车停在不同车站时采集的应变信号的微小波动( 通称小波) ， 这些干扰信号将以很小的幅值叠加到真实信号上，虽然往往只有几十毫伏( 相当 北京交通大学硕士学位论文牵引座载荷谱的测试与编制 于几个m p a 的应力) ，但在编制应力谱时它们却构成数量相当多的小循环，影响了 应力谱的真实分布，因此必须对测试信号进行小波处理。 只有依次对实测信号经过上述几步处理，才能保证测试数据的真实性。因此， 分析仪器的选取也显得尤为重要，本次试验使用的是工程结构数据处理与疲劳强 度评估系统软件，该软件主要由系统设置、信号前处理、信号后处理、其他处理、 图像处理、频谱分析、通道计算、应变花处理、统计分析等十个一级菜单组成， 功能完备、强大，完全能够胜任本试验数据的处理要求。 在编制应力谱之前，利用该软件对实测信号进行了去除零点漂移、应变信号 转变应力信号、异常噪声处理、峰谷值的挑选、小波处理等，然后在经过雨流计 数，为应力谱的编制做好准备。 为保证测试采样中正负峰值被遗漏的误差小于5 ，动态数据采集中取采样频 率f 1 0 丘，其中厶。为最高截至频率。根据数字采样定理，若被测信号中的最 高频率为，= l 。，则为了不产生由于频混而使数字采样波形失真，须保证采样频率厂 大于2 倍信号最高频率，即厂 2 f o 。，。通过对我国机车车辆转向架及其零部件的 实测载荷一时间历程的频谱特性研究表明，大部分零部件的载荷频谱一般在3 0 h z 以下，大于5 0 h z 的载荷分量几乎没有【4 】。因此，对于本次牵引拉杆动应力的采集， 采用5 0 0 h z 的采样频率，不会产生由于频混而使信号失真的情况，也不会出现采 样中正负峰值的遗漏，保证了采样数据的真实性。 2 3 实测数据的整理与归纳 2 3 1 应力谱的编制理论 使构件产生疲劳损伤的主要因素是应力幅值和应力循环的次数，将实测的随 机载荷时间历程简化为一系列的全循环或半循环的过程叫做“计数法 。目前， 雨流计数法是国内外应用最为广泛的方法。这是由于雨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 时间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【5 】【6 1 。经雨流计数法处理后就可以得到载荷幅值、均值，不仅数据量 大，而且是随机变量，因此还要将这些数据加以整理，编制出应力谱，以便于寿 命估算和疲劳试验时的应用。 为了更为准确的确定应力分布规律，应将应力循环的均值和幅值视为二元随 机变量【7 1 ，将随机应力做雨流循环计数处理后，得到各次循环的载荷幅值和均值， 9 北京交通人学硕士学位论文牵引座载荷谱的测试与编制 再按下式进行分组处理。 巩2 鼍 池。， d 口2 宁 式中，d m 和d 。分别为应力幅值和均值的组间距，盯。一和响分别为应力均 值的最大值和最小值，盯。一和吒m ；。分别为应力幅值的最大值和最小值，和他 分别为应力均值和幅值组级数，通常取8 级和1 6 级。于是各级应力幅值组的上下 限值可以分别得到： ( 户1 ，2 ，n ) ( 2 2 ) 应力幅值分级后，进行二维应力谱编制的方法是：先设定n n 个统计应力均 值和幅值发生频数的变量c ；( i ，j = 1 , 2 ，n ) ，并赋初值为零；然后顺序读取原循环 计数结果文件，将新读入的应力均值d 。与应力均值的n 个区间的上下限值进行逐 个比较，判断应力均值d 。属于哪一级。若d 肼l 下d m d 舭，同理再比较应力幅 值，若d 虾5 见d 。止，则对c i i 进行加l 处理。 为了统计描述的方便，各级应力幅值和应力均值采用其组中值表示，组中值 按下式计算： ：毕 旷牵 “产l 印，m q 。3 ) 式中，仃臃，为应力均值第f 级的组中值，仃西为应力幅值第级的组中值，d 卅；上 和d 。r f 为别为应力均值第i 级的组上限值和下限值，d 卅和d 。r f 分别为应力幅值 第，级的组上限值和下限值。表2 - 1 为用该方法编制的右二牵引拉杆在= f - j 峡一洛 阳往返一次中的实测到的二维应力谱。 一维应力谱编制的方法与二维应力谱的相似，只是采用“波动中心法 ，将应 力谱简化为一元随机变量，并以波动中心作为载荷循环的静载荷成分，把波动中 心视为固定参数，幅值作为载荷循环的动载荷成分，将幅值叠加于波动中心之上 为了统计描述上的方便，各级载荷幅值也采用其组中值来表示。 1 0 仉 虏猗岛 詈 霉 星 藿加加 i i = = = 咖咖砌肪 北京交通大学硕士学位论文牵引库载荷谱的测试与编制 表2 1 右二牵引拉杆实测的二维应力谱( 应力单位：m p a ) t a b l e 2 - lt w o - d i m e n s i o n a ls t r e s ss p e c t r u mo ft h es e c o n dt r a c t i o nb a ro nt h er i g h ts i d e ( u n i t ：m p a ) 各级应力幅值组中值 组组 l2345678频均 6 9 4 l o 8 31 4 7 21 8 6 l2 2 5 02 6 3 83 0 2 73 4 1 6 数值 12 4 5 77 31 72 o 00 0o9 27 8 3 各 21 8 4 32 1 85 l400000 2 7 3 7 7 8 级 应 31 2 2 96 4 62 1 384100o 8 7 2 8 0 3 力 46 1 51 1 6 05 3 01 2 92 042221 8 4 98 9 3 均 值 5一o o l1 9 0 46 0 62 7823202 5 5 28 0 7 组 66 1 3 3 9 9l l l1 062l0o5 2 98 0 0 中 值 71 2 2 71 7 22 86 l l00 o2 0 87 7 5 81 8 4 16 760o0o007 37 2 6 组频数4 6 3 91 5 6 21 8 63 91 0642 f| 组均值3 2 63 9 2_ 4 8 8- 2 3 42 4 62 4 63 0 86 1 5 l| 2 3 2 非零平均应力的等效转换 目前大多数的一维应力谱仅保留了应力幅值和频次的关系，但是我们得到的 实际应力循环中平均应力并不为零。研究表明，平均应力对累积损伤也有较大的 影响跚9 】。因此，必须按等损伤的原则将非零平均应力的应力循环等效转换为零平 均应力的应力循环。目前具有代表性的转换经验公式有： g e r b e r 模型： g o o d m a n 模型：一 2 盱q 1 - ( 到 一寸 本文采用较为保守的g o o d m a n 疲劳经验公式进行转换，即 o l a - - - 瓦t r a t r bc ，- l 一盯一 式中，( o r 。，仃朋) 为应力幅值和应力均值对； 为材料的抗拉强度； ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 北京交通人学硕十学位论文牵引座载荷谱的测试与编制 仃山，为等效的对称循环下各级应力幅值。 6 k 牵引拉杆的材料为q 2 3 5 号钢，可查得其抗拉强度ob = 3 7 5 m p a t l 0 1 。利用公 式( 2 7 ) 可将上述二维谱转化为对应的一维应力谱。其中，将每一组内应力幅值 循环出现的次数称之为频数，频数除以总循环次数成为频率，所有频率自下而上 相加即可得到“超值累积频率”，即大于某一应力幅值的累积频率。 表2 - 2 右二牵引拉杆等效一维应力谱( 应力单位：m p a ) t a b l e 2 - 2e q u i v a l e n to n e - d i m e n s i o n a ls t r e s ss p e c t r u mo ft h et r a c t i o nb a r ( u n i t , m p a ) 应力幅值频数累积频数超值累积频率 6 9 l4 6 3 96 4 4 8l 1 0 7 81 5 6 21 8 0 92 8 0 6 e 1 1 4 5 71 8 62 4 73 8 3l e 2 1 8 6 l3 9 6 19 4 6 1 e 3 2 2 5 01 02 23 4 1 2 e 3 2 6 2 461 21 8 6 1 e 3 3 0 1 1469 3 0 5 e - 4 3 3 8 0 2 23 1 0 1 e - 4 2 4 牵引拉杆的载荷识别 2 4 1 载荷识别的基本理论 载荷识别即根据已知结构的动态特性和实测的动力响应求解结构的动态载 荷，在结构动力学中属于第二类逆问题，载荷识别的重点在于对系统与信号的非对 称特性及其反演进行研究，涉及线性与非线性系统理论、结构振动分析、信号分 析与处理、数值计算方法与计算机仿真等技术【1 1 】【1 2 】。 长期以来，随着载荷识别技术越来越收到关注，人们发展了多种识别技术， 使其有了较大的发展，部分满足了机械工程领域内载荷确定的需要，比如用虚拟 激励法识别海洋平台的冰载荷谱，用时域方法、准静态法识别铁路车辆转向架及 其主要吊支座的动载荷等。 但是，从目前的研究状况来看，虽然提出了许多不同的方法，但识别的效果 均不够理想，各种识别方法基本上都是基于某一特定的工程实例进行的研究，因 而这些方法有较大的局限性，限制条件也较为苛刻，对识别中碰到的许多实际问 题，还没有形成系统的理论体系。 就目前的识别方法和技术，对结构阻尼较大，受力数量较少，载荷作用形式 较为简单，相应测试条件便利的结构，例如海洋平台的受力分析；铁路车辆转向 1 2 北京交通大学硕士学位论文牵引座载荷谱的测试与编制 架构架各主要吊座及牵引拉杆的载荷识别等，可以得到较好的识别结果【”】。这也 就为本文6 k 电力机车牵引拉杆载荷识别的可行性及可靠性提供了依据。 2 4 2 牵引拉杆的载荷识别 6 k 牵引拉杆是断面为圆截面的实心杆。它的载荷识别可以根据材料力学的方 法算出。根据载荷识别测点应该选择在应力信号较大、应力梯度变化较小部位的 原则，其识别点应选在牵引拉杆的中部，如图2 1 所示。用图中的轴向应变片来识 别出牵引拉杆上的轴向力科1 4 】【1 5 】【1 6 1 ，即 r = 三d 2 竹( 2 - 8 ) 式中，牵引拉杆的截面直径芦6 0 m m ，o 为该测点的实测应力。 计算得，牵引拉杆圆形断面面积a = 竺d 2 = 2 8 2 6 m m 2 将上述计算参数和实测测点等效应力幅计算统计结果代入载荷计算上式，即 可得到与各级应力幅值所对应的牵引拉杆的各级轴向力。 2 5 载荷谱的编制 载荷谱与应力谱的编制方法相似，因此，根据上述材料力学方法，将在三门 峡一洛阳往返运行2 8 8 公里中测试得到的等效一维应力谱乘以牵引拉杆的截面面 积，即可得到六个牵引拉杆的轴向力载荷幅值谱，如表2 - 3 所示： 表2 - 3 牵引拉杆动态载荷识别( 单位：k n ) 级 右一牵引拉杆右二二牵引拉杆 数载荷幅值频数累积频数 载荷幅值频数 累积频数 l1 9 4 85 0 5 2 7 8 3 l1 9 5 24 6 3 96 4 4 8 23 0 0 92 2 5 02 7 6 1 3 0 4 61 5 6 2 1 8 0 9 34 0 7 43 9 25 l l4 1 1 71 8 62 4 7 45 1 0 98 41 1 95 2 6 03 96 1 5 6 1 9 8 2 33 56 3 5 91 02 2 67 2 2 2 61 27 4 1 561 2 78 3 2 246 8 5 0 946 89 3 3 622 9 5 5 l22 1 3 北京交通大学硕士学位论文牵引座载荷谱的测试与编制 表2 - 3 ( 续) t a b 2 3 ( c o n t i n u e ) 级 右二牵引拉杆左一牵引拉杆 数载荷幅值频数 累积频数载荷幅值频数累积频数 l1 9 1 44 9 5 68 2 5 52 0 8 84 2 1 78 1 8 9 22 8 9 7 2 3 4 23 2 9 93 4 1 52 9 7 53 9 7 2 33 8 9 76 9 69 5 74 7 7 0 7 5 89 9 7 44 8 8 41 9 32 6 16 1 4 l1 7 42 3 9 55 8 7 24 66 87 4 8 14 76 5 66 8 2 61 32 28 7 6 81 l1 8 77 8 4 8791 0 0 4 14 7 88 8 3 3 2 2 1 1 4 3 633 级左二牵引拉杆左二牵引拉杆 数 载荷幅值频数累积频数载荷幅值频数累积频数 l1 9 8 84 6 6 27 3 9 11 9 8 15 3 8 97 1 5 l 23 1 1 52 0 9 52 7 2 93 0 9 81 4 7 91 7 6 2 34 2 6 l 4 6 36 3 44 2 2 32 1 02 8 3 45 3 6 41 3 01 7 15 2 9 65 27 3 56 4 6 92 94 16 3 - 3 61 32 1 67 6 0 981 27 5 1 2 4 8 78 7 3 4348 6 1 9 3 4 89 8 5 9l39 7 2 7l1 由上表中的载荷谱可见： 六个牵引拉杆的载荷幅值已经发生离散，左一、左二和左三的载荷幅值较大。 最大载荷幅值为1 1 4 3 6 k n ，对应的是左一牵引座；最小载荷幅值为8 8 3 3 k n ，对应的 是右三牵引座。 2 6 本章小结 1 牵引座载荷的动态应力测试：介绍了试验车辆、线路和牵引工况；论述了信 号实测与数据处理的流程与原理、采样频率的选取等。 2 根据载荷谱的编制和载荷识别理论，基于牵引座载荷的实测信号，通过 g o o d m a n 公式的修正等，得到y 6 k 机车目前实际运营情况下的牵引座载荷谱。 1 4 北京交通人学硕士学位论文载荷分布特征的统计推断 3 载荷分布特征的统计推断 通过实测动应力的识别而得到的载荷谱是在一定线路长度内所获得的，它终 究是一个有限长的子样，要全面了解牵引座载荷谱母体的分布形态，必须对牵引 座载荷谱进行统计分析，也就是由母体中抽取一部分个体来说明母体的某些性质。 这一般包括参数估计和假设检验两类问题。 关于铁道车辆转向架主要承载构件的载荷分布形式已经有过许多的研究和分 析，大部分承载构件所承受的随机应力幅值可以用威布尔分布来拟合，应力均值 则通常服从正态分布。而对于6 k 电力机车而言，其牵引座处于车体上，对于此类 结构所承受的随机载荷的分布研究尚不多见。本文根据各载荷谱载荷幅值一频率直 方图的近似形状，先假设其服从威布尔分布，然后进行假设检验，以确定最终的 数学模型。 3 1 三参数威布尔函数的基本理论 威布尔分布是瑞典物理学家w e i b u l l 于1 9 3 9 年在研究机器零件和寿命的可靠 性时首先提出来的。近年来，其已经广泛应用于工程中的寿命问题。相