（车辆工程专业论文）sw220型转向架主要吊支座的载荷识别及分布特征研究.pdf

北京交通大学硕士论文摘要 中文摘要 摘要：本论文以s w - 2 2 0 型客车转向架构架主要吊、支座的载荷识别为研究内容， 采用“准静态法”对实际运营条件下转向架构架主要吊、支座的动态载荷进行了 识别。文中选择了2 0 0 6 年8 月2 日沈阳一广州的测试数据；采用机车车辆结构动 应力专用数据处理软件和m a t l a b 软件进行数据处理；利用有限元分析软件a n s y s 和结构优化软件h y p e r m e s h 建立该构架的有限元模型，对实际运营工况下各吊、 支座的载荷进行识别，主要内容包括载荷系数的确定、载荷识别、载荷最值和载 荷谱的比较、焊缝部位测点的等效应力幅计算和应力谱编制，为该型转向架的结 构优化和疲劳分析提供可靠的载荷依据。 本论文在对各主要吊、支座进行载荷识别的同时，结合工厂的设计实例，在 各主要吊、支座上施加了识别的模拟载荷，确定载荷系数，进行载荷识别和疲劳 强度评估；同时对载荷识别结果进行了统计分析，得到了比较满意的结果。 关键词：转向架；吊支座；有限元模型；载荷系数；载荷识别。 分类号：u 2 6 0 3 3 1 ；u 2 1 1 4 1 1 1 北京交通大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t a b s t r a c i ： i nt h i sp a p e r , t h el o a di d e n t i f i c a t i o no ft h em a i nh a n g e ra n dc a r r ys e a t so nt h e w e l d e df r a m eo fs w - 2 2 0p a s s e n g e rv e h i c l ew a ss t u d i e da n dt h e i rd y n a m i cl o a di nt h e p r a c t i c a lo p e r a t i o np r o c e s sw a si d e n t i f i e db y t h eq u a s im e t h o d t h el o c a lf i n i t e e l e m e n tm o d e l so fv a r i o u sc a r r ys e a t sw e f ci n t e r c e p t e df r o mt h ew h o l ef i n i t ee l e m e n t m o d e le s t a b l i s h e db ya l t a i ra p p l i c a t i o ns o f t w a r eh y p e r m e s ha n da n s y s t h ed a t a w e r ep r o c e s s e db yt h es o f t w a r em a t l a ba n dt h es p e c i a ld a t ap r o c e s s i n gs o f i w r e t h e d y n a m i cs t r e s sd a t ap r o c e s s i n go ft h ev e h i c l e ”，w h i c hw a sd e v e l o p e db yt h es t r u c t u r e i n t e n s i t yr e s e a r c ho f f i c ei nb e i j i n gj i a o t o n gu n i v e r s i t y c h o o s i n gt h et e s td a t ao ft h e s w - 2 2 0v e h i c l eo fs h e n y a n gt og u a n g z h o ui na u g u s t2 ，2 0 0 6 ，t h ed y n a m i cl o a do n t h ev a r i o u sh a n g e ra n dc a l t ys e a t si nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hi n c l u d e st h e c o e f f i e n t sc o n f i r m i n g , t h el o a di d e n t i f i c a t i o n ，t h ec o m p a r a t i o no ft h el o a dm a x i m u m a n dt h el o a ds p e c t r u m , t h ec a e u l a t i o no fe q u i v a l e n ts t r e s sa n dt h es t r e s ss p e c t r u m w h i c hw i l lg i v es i g n i f i c a n tl o a dr e f e r e n c ef o rt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g n w h e nt h el o a d so ft h ev a r i o u sc a r r yp l a t e sw e r ei d e n t i f i e d , t h ep r a c t i c a ld e s i g n e x a m p l eo nt h es p o tw a sc o m b i n e dw i t ht h eg i v e nt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ei d e n t i f i e d l o a d sw e r ea p p l i e do nt h ec a r r ys e a t s t h es t a t i s t i ca n a l y s i so ft h ei d e n t i f i e dl o a dw a s p r o c e s s e da n dt h e r e s u rw a sc o m p a r a t i v e l ys a t i s f i e d k e y w o r d s ：v e h i c l eb o g i e ；h a n g e ra n dc a r r yp l a t e s ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l ；l o a d c o e f f i c i e n t ；1 0 a di d e n t i f i e a t i o i l c l a s s n o ：1 3 2 6 0 3 3 l ；u 2 1 1 4 i v 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： 刁苏译 导师签名：函1 之钔1 飞 签字日期：) 一6 年月嚣日 签字日期：工年，t 月，铲日 致谢 本论文的工作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。刘老师以其精深广博的学识、严谨的治学态度、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。在此衷心感谢两年多来刘老 师对我的关心和指导。 在论文的研究过程中，还得到了本博士点其他( 她) 老师的关心和指导，特 别是缪龙秀教授，李强教授和王文静老师，不仅在学术上而且在生活上给予了极 大的帮助，使本人的论文得以顺利完成，在此本人向缪龙秀教授和本博士点的其 他( 她) 老师表示衷心的感谢! 同时，本人还得到了本博士点杨广雪等同学的关心和帮助，在此向他们表达 我的感激之情。 最后，感谢我的家人及所有关心和帮助过我的朋友。 l i 北京交通大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 载荷识别的研究现状 载荷识另u ( l o a di d e n t i f i c a t i o n ) ，顾名思义，即确定系统的输入载荷，也称为载 荷确定( f o r c ed e t e r m i n a t i o n ) 。 载荷识别的研究大体上是从7 0 年代中期开始的，由于当时对飞机飞行的性能 要求提高了，加上大量新型复合材料的应用，从而对飞机在实际飞行过程中的受 力情况要有更为准确地估计，于是促进了动态载荷识别技术的发展。 动态载荷识别主要有频率法和时域法两类5 】【7 1 9 ) 1 1 4 1 2 7 1 。前者根据频响函数及 模态参数在频域中进行识别，而后者则在时域中进行。频域法的研究较早，其理 论体系相对较为完善，已经建立了一些理论和计算方法，并有了一定的应用；时 域法直接在时域内求解载荷的时间历程，不需要经过傅立叶变换在时域和频域中 转化，所得的结果比较直观，方便工程实际应用。 目前，载荷识别技术已受到广泛关注，近年来有了较大的发展，提出了许多 新的思路和方法，也在很多工程领域有了应用【5 】【6 】1 8 】。其中比较典型的有：用直升 飞机模型，利用频响函数求逆法在实验室条件下，识别模型螺旋桨轴的动态载荷； 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 向架的动载荷。此外，还有利用动载荷识别方法识别飞机尾翼抖振、汽车激振力、 船用涡轮机组的支承力、建筑结构的空气动力等等，许多方面的应用。 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，识别结果都还没有用于工程实际，或结构的动态设计中，在实际工 程应用中还没有起到应有的作用；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，例如稳定性、域精度分析、病态问题、测点选择等，缺 乏深入的研究，还没有形成系统的理论体系。 因此，载荷识别的工程应用，仍然与载荷识别方法和理论的研究一样，处于 探索阶段，没有形成系统的理论体系和完整的应用技术，还不能满足工程实际的 需要。由于载荷识别问题本身存在的不稳定性，再加上载荷识别问题比较突出的 个性特征，这一问题的解决还需要较长时间的发展。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；铁路车辆转向架构架各主要吊、支座的载荷识 北京交通大学硕士论文第一章绪论 别等，可以得到较好的识别结果，载荷识别技术也最先为这类结构的动态设计、 试验载荷提供依据。 1 2 选题背景 铁道车辆在运行过程中，作为走行以及支撑车体结构的转向架，其各部分所 承受的实际应力是连续的随机过程。在随机载荷的长期作用下，转向架上承载构 件将不断的产生疲劳损伤，当累积损伤达到一定程度，就会导致疲劳破坏，严重 危及行车安全。因此铁道车辆转向架结构的疲劳可靠性问题是实现客运高速化中 需要解决的关键技术问题。 现在各铁路工厂所采用的设计方法还是以传统的安全系数保障强度，因此， 存在着静强度富裕、疲劳强度不足的问题【l l 】1 1 4 】；在构架等关键部件的有限元计算 中，往往只重视构架侧、横梁主体结构的强度，而由于对构架吊、支座载荷不了 解，忽视了对其疲劳强度的分析：现行的等幅室内疲劳试验，既不能反映转向架 运行中承受的随机载荷的特性，也不能对一些重要吊、支座部位进行正确的疲劳 加载。由以上不难看出，在提速铁道车辆转向架的设计、试制过程中，对其主要 吊、支座等关键部件缺乏必要的分析和试验研究。 本文就是要利用线路上实测的应力时间历程，识别主要吊、支座的动态载荷， 编制其载荷谱，并对其载荷进行统计分析，确定载荷幅值的分布特征和分布函数， 为该型转向架构架的可靠性设计提供可靠的载荷依据。 1 3 本论文的主要内容 本论文是根据s w - 2 2 0 型转向架构架主要吊、支座的结构尺寸远小于构架主 体结构，且其刚度较大这结构特点，采用“准静态法”对其构架各主要吊、支 座进行载荷识别、载荷最值比较、载荷谱编制和载荷幅值的统计分析，确定了载 荷幅值频率的分布密度函数。 主要工作如下： 1 有限元建模：建立s w - 2 2 0 型转向架构架的有限元模型，进行应力分析和 截取主要吊、支座的局部模型，并确定识别点的合适位置。 2 动应力测试与数据处理：测试信号的零漂、滤波、去除干扰和小波等处理。 3 载荷识别：包括( 垂向减振器座、制动吊座、构架弹簧座、抗蛇形减振器 2 北京交通大学硕士论文第一章绪论 座、定位转臂和牵引拉杆) 载荷系数的确定、载荷最值的比较和载荷谱的编制。 4 焊缝部位动应力分析：根据载荷识别测点的应力测试结果和有限元分析结 果，确定焊缝部位的应力一时问历程，编制应力谱，并计算其5 0 0 万公里的等效应 力幅。 5 载荷谱的统计分析：对编制的载荷谱中载荷幅值进行统计分析，并确定了 其载荷幅值频率的分布特征及威布尔分布的密度函数。 3 北京交通大学硕士论文第二章信号的采集与处理 第二章信号的采集与处理 机车车辆在线路上运行，转向架构架承受并传递垂向、横向及纵向载荷，在 运行线路上，其各个部位的应力变化是一个连续随机的过程，这种应力大小随时 间交化的过程称为应力一时间历程。 本文中的实测信号是用多通道应力一时间历程数据采集系统采集，由于该系统 采集的实测信号无法直接识别动态载荷，并且在整个测试过程中列车在线路上快 速运行，各种干扰信号也会由各测试环节进入数据采集系统，对应力信号产生干 扰，有时甚至会掩盖真实信号的本来面目，因此本文采用机车车辆结构动应力专 用数据处理软件，对实测信号进行以下处理。首先必须进行信号预处理去除零漂、 排除干扰、提高信躁比；其次要进行应力时闻历程峰谷值挑选、小波处理、雨流 计数，为疲劳累积损伤和等效应力幅的计算做好准备。 下面对测点的确定和实测信号处理的些技术做简单介绍。 2 1 载荷识别测点确定 构架疲劳危险区应力一时间历程的获取是通过现车实测得到的。在试验前，首 先对转向架构架进行有限元静强度分析和模态分析，结合室内疲劳试验确定构架 的大应力部位和动态薄弱环节，将其作为疲劳危险区。由于焊接构架的结构形式 各异，受力情况复杂，如何使载荷识别点能较准确地布置在构架上应力较大、且 应力梯度较小的部位洲，这是确定载荷识别布片方案首先要解决的，其思路如 图2 - 1 所示。 ( 1 ) 静态关注点通过有限元强度分析将静应力最大和较大部位定为需要 考虑布片的静态关注点。因为较高的静应力加上运用中随机载荷产生的动应力， 可能使这些部位成为结构疲劳控制部位。 ( 2 ) 结构关注点通过分析焊接接头的细部设计，根据应力集中状况确定 需要布片的测点。特别是焊缝区和结构复杂的部位。 ( 3 ) 动态关注点构架的疲劳控制部位往往在这类关注点中。这些点的静 应力水平不一定高，但在车辆运行中却可能出现较大的动应力，所以动态关注点 的确定最重要也最复杂。可以从两方面进行研究分析：其一通过构架模态分析， 由构架的振动特征并结合线路激扰状况确定动态变形集中部位，如构架横、侧梁 连接部，电机、齿轮箱、变压器箱、油箱吊挂部等；其二充分关注传递动载荷而 4 北京交通大学硕士论文第二章信号的采集与处理 且大小又难以确定的部位，如定位臂座、减振器座、制动吊座和牵引拉杆座等的 根部。 ( 4 ) 调查分析构架在疲劳试验或运用中曾出现过疲劳裂纹的部位。 综合上述，通过对动态关注点的分析，对于应力较大、应力梯度变化较小、 受单一载荷作用下的主要吊、支座，采用“准静态法”都能较好的识别其载荷。 有限元 应力分析 焊接接头 il 构架ii 动载荷传递 细部设计分析ii 模态分析ll 部位分析 静态关注点ii 结构关注点if 动态关注点 构架疲劳 试验和运 用中出现 疲劳裂纹 部位 确定构架载荷识别点布片方案 图2 - 1 确定载荷识别测点部位的思路 f i g2 1t h o u g h to f t h et e s t i n gp o i mo f l o a di d e n t i f i c a t i o n 通过对s w 2 2 0 型转向架构架的有限元分析与模态分析，并结合以往的经验 进行布片。本论文所要用到的有效载荷识别测点共有2 0 个，其它各处的应变片由 于与本次计算无关，不予列出。测点的位置示意图请见图2 - 2 至图2 5 ，测点的位 置说明列于表2 - 1 。 5 北京交通大学硕士论文 第二章信号的采集与处理 + 注：图中，、为转向架的1 、2 、3 、4 位侧 图2 - 2s w - 2 2 0 型转向架构架测点位置示意图 f i g2 - 2t e s t i n gp o i n tp o s i t i o no f t h es w - 2 2 0b o g i e 图2 - 3 抗蛇行减振器座的测点位置示意图 图2 4 定位转臂的测点位置示意图 f i g2 - 3t e s t i n gp o i n tp o s i t i o no f t h ea n t i y a wd m p e r s e a t f i g2 - 4 惦s t i n gp o i n tp o s i t i o no f p o s i t i o n i n g p i v o t e da l t n 图2 - 5 纵向牵引拉杆的测点位置示意图 f i g2 - 5t e s t i n gp o i n tp o s i t i o no f t h ep o m a i tt r a c t i o nb a r 6 北京交通大学硕士论文第二章信号的采集与处理 表2 1 测点位置说明 t a b2 - 1e x p l a n a t i o no f t e s tp o i l i tp o s i t i o n 测点测点位置 c 1 1 位垂向减振器外立板圆弧过度表面 c 3 i 位垂向减振器内立板圆弧过度表面 c 22 位垂向减振器外立板圆弧过度表面 c 4 3 位垂向减振器外立板圆弧过度表面 c 5 4 位垂向减振器外立板圆弧过度表面 c 6l 位制动吊上盖板内侧外表面 c 2 1 ( 坏) 2 位常动吊上盖板内侧外表面 c 7 3 位制动吊上盖板内侧外表面 c 2 2 ( 坏) 4 位制动吊上盖板内侧外表面 c 8 1 位侧粱下盖板外侧下表面 c 92 位侧梁下盖板外侧下表面 c 1 0 3 位侧粱下盖板外侧下表面 c 1 1 4 位侧梁下盖板外侧下表面 c 1 2 2 位抗蛇形减振器座外立板圆弧过度表面 c 1 3 3 位抗蛇形减振器座外立板圆弧过度表面 c 1 41 位定位转臂外立板下表面 c 1 5 1 位定位转臂内立板下表面 c 2 3 ( 坏) 2 位定位转臂外立板下表面 c 2 4 ( 坏)2 位定位转臂内立板下表面 c 1 63 位定位转臂外立板下表面 c 1 7 3 位定位转臂内立板下表面 c 1 8 4 位定位转臂外立板下表面 c 1 94 位定位转臂内立板下表面 c 2 0 纵向牵引拉杆中部下表面 2 2 应力信号的采集 铁道机车车辆在线路上运行中，转向架构架承受并传递着垂向、横向和纵向 载荷，其各个部位的应力变化是一个连续的随机过程，这种应力大小随时问变化 的情况称作应力时间历程( 应力谱) 。自4 0 年代以来，虽然各种试验应力分析方 7 北京交通大学硕士论文第二章信号的采集与处理 法和手段层出不穷并日益完善，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。图2 - 6 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。 f 应变片 + f 应变片电路h 记录仪器h 分析仪器l 图2 - 6 典型的应变测量系统 f i g2 - 6t 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 2 3 实测信号去除零漂处理 由于所采集的信号是动应力信号，采用豹是应变片、补偿片加动态应变仪组 成的测试系统。测试过程中，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。一般造成零漂 有以下三个原因： 1 组成系统的元器件参数通常以标称值表示的，其与实际参数之间存在着公 差，可能发生参数漂移； 2 环境条件。例如温度的变化使电子原件参数发生温漂，环境条件产生的参 数漂移在许多情况下是可逆的，随条件而改变，呈现系统的不稳定； 3 退化效应。即元器件参数由于疲劳而缓慢变化。因此，每次测试前，也就 是在列车启动前迸行动态应变仪的调平处理，使动态应变仪的输出是零，可以克 服元器件标称公差和退化效应的影响，测试信号的零漂现象仍有少量存在，需要 进一步处理。 可以采用分段线性零漂假设进行信号的零漂处理【2 1 1 玎】。其基本思想是：假设 信号的零漂在较短时间内是线性的，并将较长的应力时间历程分成若干段，认为 各段内的零漂是线性的，则整个应力时间历程的零漂连起来是一条折线( 参见图 2 7 ) ，用实测信号逐点减去这条折线便可得到所需要的信号。 电 压 俊 图2 7 分段线性零点漂移原理图 f i g2 - 7p r i n c i p l ed i a g r a mo f p i e c e w i s el i n e a rz e t m s l t i i l i n g 8 磊 宵一 -_-i，麓 北京交通大学硕士论文第二章信号的采集与处理 需要指出的是，在实际进行零漂处理时，选择零漂分析段数比较关键。每段 的时间太短，会对比较典型的信号造成较大的失真，因为机车车辆转向架在实际 运行时，过曲线可能会出现某一段应力水平整体大幅度提高或减小的情况：每段 的时间太长，电子信号的漂移就不能认为是线性的，实际可能是二次的或者更复 杂的非线性。实践表明，在一段情况下每l o 1 5 分钟作为一段，分段线性零漂假 设能够较好的反映实测信号零点漂移的真实状况。图2 8 所示为s w - 2 2 0 型转向 架构架在沈阳至广州线路上运行时采集的一段动应力信号零漂处理前后的波形比 较。 图2 8s w - 2 2 0 型转向架制动吊动应力实测信号零漂处理前后的波形比较 f i g2 - 8w a v e f o r mc o m p a r i o no f m e a s u r e ds t r e s ss i 母l a lb e f o r ea n da f t e r p i e c e w i s el i n e a rz e r o - s h i r i n g o f s w - 2 2 0b o g i e 2 4 信号数字滤波处理 在动应力的现车实测过程中，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我出信号的主要的干扰频 带，然后再用数字滤波器将于扰成分滤掉。 数字滤波是用数字方法来增强信号、压低干扰、把信号和干扰分开，从而提 取所需的有效信息，保证信息能可靠地传输和交换所不可缺少的技术，在实际工 程领域有着广泛的应用。但由于干扰信号可能与有效信号叠加，因此实际处理时 往往采用带阻数字滤波，当这个带的宽度很小时，可以认为是点阻滤波，以尽可 能大地衰减干扰信号、尽可能小地衰减有效信号。 2 5 小波处理 在应力时间历程的测试过程中，还有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 9 北京交通大学硕士论文 第二章信号的采集与处理 小的幅值叠加到真实信号上，虽然往往只有几十毫伏( 相当于几个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。 通过对实测信号的上述处理，即可保证测试数据的正确性。 2 6 应力时间历程雨流计数法 将应力时间历程简化为系列的全循环和半循环的过程称为“循环计数”。近 年来，雨流计数法尤其是双参数雨流计数法，在国内外被广泛采用，因此下面对 其进行详细介绍。 双参数雨流计数法的计数结果用应力幅值和应力均值的向量来表示。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应变塑性行为而提出的一种计数法 【2 j 1 1 7 l ，认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，并且其塑性性质表现为应力应 变迟滞回线。一般情况下，虽然名义应力处于弹性范围，但从局部、微观的角度 看，塑性变形仍然存在。雨流计数法计及载荷的全循环或半循环，并考虑了循环 应力一应变特性，把应力的统计分析过程和材料的疲劳特性建立一定的联系，应 力时间历程的每一部分都参与计数，而且只计数一次，所以它具有比较明确的力 学概念。 应力 f 荔 f p 母1 凡汐 应娈 夕 5 7 ( 8 ) 应变一对简历程 ( b ) 应力啦变迟滞回线 图z - 9 雨流计数法的力学依据 f i g2 - 9m e c h a n i c a la c g o r d i n go f r a i n - f l o wc o u n t i n gm e t h o d 图2 9 ( a ) 所示为某一测点的应变时问历程，其对应的应力一应变曲线示于 图2 - 9 ( b ) 中。由图可见，两个小循环2 3 - 27 、5 - 6 5 和一个大循环卜4 7 分 别构成了两个小的和一个大的迟滞回线。如果疲劳损伤以此为标志，并且假设， 1 0 北京交通大学硕士论文 第二章信号的采集与处理 截断一个小变程的迟滞回线，不影响一个大变程所引起的损伤，因此可以逐次将 构成较小迟滞回线的较小循环从整个应变时间历程中提取出来，重新加以组合。 这样，图2 - 9 ( a ) 所示的应变时间历程将简化为图2 1 0 所示的等效应变一时间历 程，而且认为两者对材料引起的疲劳损伤是等效的。 应变4 6人 22 念 沥蕊 留s5 ，一 时 3 17 图2 - 1 0 简化的等效应变一时问历程 f i g2 - 1 0s i m p l i f i e de q u i v a l e n ts t r a i n 4 i m ep r o c e s s 时间 完 图2 1 1 雨流计数法的原理 f i g2 - l lp r i n c i p l eo f r a i n - f l o wc o u n t i n gm e t h o d 雨流计数法就是基于上述原理进行循环计数的。如图2 1 0 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 数法的名称即由此得来为实现其计数原理，特作如下规定：雨滴从峰谷值的内 侧往下流，凡起始于波谷的雨流遇到比它更低的谷值( 代数值) 便停止，例如起 始于波谷0 的雨流止于波谷f 的水平线，因为波谷f 的谷值比波谷0 的谷值要低。 类似地，凡起始于波蜂的雨流遇到比它更高的峰值便停止，例如起始于波峰a 的 雨流止子波峰o 的水平线。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，例如起始于波峰c 的雨流止于b ；起始于波谷d 的雨流止于a 。这 样，根据雨滴流动的起点和终点，可以勾画出一个个完整的应力循环，如b - c b 和矿d - a 等。最后，将所有完整的循环逐个提取出来，并计算它们的均值和幅 值。由于图2 - 1 1 中只是很小的一段应力时间历程，所以还有“未完”的雨流，再 按上述原则，继续进行雨流计数，最终得到的是图2 一1 2 所示的发散收敛波。按雨 北京交通大学硕士论文 第二章信号的采集与处理 流计数法则，此种波形无法再形成完整的应力循环，因此需要采取其它的措施。 一种简便可行的办法是：在最高波峰b 或最低波谷a 处将波形截成两段，使左段 起点与右段终点相连接，构成图2 - 1 3 所示的收敛发散波。此时，雨流计数法则可 以继续使用，直至计数统计完毕为止。 时间 图2 1 2 发散收敛波 f i g2 - 1 2d i v e r g e n tc o n v e r g e n c ew a v e 时间 图2 1 3 收敛发散波 f i g2 - 1 3c o n v e r g e n c yd i v e r g e n tw a v e 1 2 北京交通大学硕士论文第三章s w - 2 2 0 型转向架构架主要吊支座的载荷识别 第三章s w - 2 2 0 型转向架构架主要吊支座的载荷识别 机车车辆在运行过程中，转向架各吊、支座所承受的实际载荷是一个连续的 随机过程，随机载荷的偶然因素对转向架疲劳寿命的影响很大，通过对运营中车 辆转向架构架应力一时间历程的现场测试，乘以相应的载荷系数，准确地识别构架 各主要吊、支座载荷及编制出切合实际的载荷谱，对评估转向架的疲劳寿命评估 及进行可靠性设计具有现实的指导意义。 本章应用“准静态法”对转向架关键部位，如垂向减振器座、制动吊座、构 架弹簧座、抗蛇形减振器座、定位转臂和牵引拉杆等在实际运行条件下的动态载 荷进行识别，并对其载荷一时间历程进行统计分析，得到其载荷最值、编制其载荷 谱。由于构架所受载荷状况及构架本身动力特性的复杂性，本文在识别时采用比 较简化的线性模型。从总体上说，采用简化的模型进行识别计算在一定程度上能 反应出转向架构架关键部位上作用的载荷特性，同时也能了解这一识别方法在这 一特定结构上的可行性、存在的问题及可采用的计算办法。 3 1 引言 本章所要识别的各主要吊、支座从其所在转向架上的位置及结构特点上看， 具有以下特，征【州： 1 )各吊、支座本身的结构尺寸远小于构架主体结构，但其刚度较大，固有 频率远高于激扰频率。在这种情况下，其动力响应得速度与加速度相对较小，因 此可以按静态方法近似加以计算。 2 )这些吊、支座部位的应变响应，基本上均是由该支撑座所受的动态载荷 引起的，也就是说响应点与相应的载荷力是单一对应关系，属于单点激励单点响 应。所以由该部位的应变响应，基本上可以识另出该部位的载荷大小。 基于以上分析，对各关键部位上所作用的载荷进行识别，可以将其从整个构 架中取出来，采用简化的线性模型加以计算。同时，在保证模型简化不致影响载 荷识别特征并具有一定精度的前提下，尽量避免将待识别载荷在一个计算模型上 同时进行识别。 本章对s w - 2 2 0 型转向架构架各主要吊、支座的载荷进行识别，选择了2 0 0 6 年8 月2 日沈阳一广州的测试数据。 1 3 北京交通大学硕士论文第三章s w - 2 2 0 型转向架构架主要吊支座的载荷识别 3 2 垂向减振器座的载荷识别 3 2 。1 垂向减振器座载荷识别计算模型的建立 由于垂向减振器作用位置的特殊性，可将阻尼力的识别从整个构架中取出来。 减振器安于减振器座上，从结构特点上看具有以下特征： 减振器位于侧梁端部，其结构尺寸远小于侧梁主体结构，尤其是轴箱座内侧 的侧梁部分，冈4 度明显加大： 减振器座根部所受力矩完全由阻尼力产生，此部位应变片的变形主要由阻尼 力引起，基本上反应了阻尼力的大小。 基于以上分析，可以从整个构架中选取轴箱座外部部分作为悬臂梁结构用于 识别减振器阻尼力，其有限元模型如图3 - 1 所示。 图3 - 1 垂向减振器座有限元模型 图3 - 2 垂向减振器座现场测点位置图 f i g3 - 1f i n i t ee l e m e n tm o d e l o f t h ev e r t i c a ld a m p e rs e a tf i g3 - 2t h ea c t u a lt e s t i n gp o i n tp o s i t i o no f t h ev e r t i c a ld a m p e rs e a t 垂向减振器座有限元模型共划分为6 6 2 5 个单元，为了得到较为精确的结果， 对测点和载荷作用点附近采用体单元进行局部细化，并对减振器座根部的焊缝进 行模拟，其余部位的单元划分较为稀疏，并把c 1 作为所在单元的形心，单元边长 为3 x 5 x 4 m 。如图3 - 1 所示，测点设置于减振器侧板弯角c 1 处，沿弯角处的切 线方向，图3 2 为测点位置的实物照片。 测点c x 与焊缝h f x 相对应，且测点c 1 ( h f l ) 和c 3 ( h f 3 ) 在1 位垂向减 振器座，c 2 ( h f 2 ) 、c 4 ( 4 ) 和c 5 ( h f 5 ) 分别在2 、3 和4 位垂向减振器座。 1 4 北京交通大学硕士论文第三章s w - 2 2 0 型转向架构架主要吊支座的载荷识别 3 2 2 垂向减振器座载荷系数的确定 对减振器座所受的载荷，可以通过测点c 1 处实测的应力响应来识别，为此， 首先要知道该测点的载荷系数。 在图3 - 1 所示的p l 、p 2 中心处施加1 k n 的模拟载荷f ，在a 端施加全约束， 上盖板b 处做弹簧元并全约束，如图3 3 所示。 a 图3 - 3 垂向减振器座加载示意图 f i g3 - 3l o a d i n gs k e t c hm a po f t h ev e r t i c a ld a m p e rs e a t 在测点c l 处建立局部坐标x 1 - y 1 - z 1 ，z 1 方向垂直于纸面向外，并使x l 方向 为测点处的切线方向，经有限元计算得，测点单元沿x l 方向的应力响应为： 1 24 6 5 8 m p a 如图3 - 1 所示，减振器座根部焊缝沿全局坐标x 方向的最大应力响应发生在 焊缝下部的h f i 处，为： o h f i 4 7 6 3 m p a 则由“准静态法”可知，垂向减振器受到的动态载荷f 为1 2 0 】【2 6 】： f = k c i o r d c l = k l o r d l f f l ( 3 - 1 ) 足。，测点c 1 处的载荷系数； k n f - t 一焊缝危险点h f l 处的载荷系数； 盯d c 。测点c 1 处的动应力； 巧。焊缝危险点b f l 处的动应力。 由此，可以得到焊缝危险点h f l 处的应力一时间历程，载荷谱和等效应力。 在测点c 1 处如果要产生i m p a 的响应，则需要在垂向减振器座上施加的载荷， 即测点c 1 处的载荷系数k 。为： k = 二= 二= 0 2 1 4 7 k n m p a “ o - e 。4 6 5 8 1 5 北京交通大学硕士论文第三章s w - 2 2 0 型转向架构架主要吊支座的载荷识别 同理，可得焊缝危险点h f i 处的载荷系数彤，。为： t = i 1 ；丽1 = 。2 。9 9 k n m p a 3 2 3 垂向减振器座动态载荷识别计算 表3 - 1 垂向减振器座动态载荷最值( 沈阳一广州) t a b3 - 1m a x - m i nd y n a m i cl o a do f t h ev e r t i c a ld a m p e rs e a t ( s h e n y a n g o u a n g z h o u ) 不同测点识别的载荷( 单位：k n ) 线路区段名称i 位c i 测点2 位c 2 测点i 位c 3 测点 f n a xm l n 幅值 n u n幅值i i l a xf m n幅值 沈阳冶安 1 1 1 18 9 61 0 0 48 6 58 8 28 7 49 87 7 38 7 7 台安盘锦北 4 9 54 6 24 7 95 4 8 6 7 36 1 l4 4 1- 5 7 65 0 9 盘锦北一锦州南 6 0 9- 7 0 36 5 65 6 1_ 6 7 86 2 05 3 36 ，1 35 7 3 锦州南葫芦岛北 6 4 0 - 6 2 46 - 3 26 1 2- 6 7 16 4 24 6 65 1 24 8 9 葫芦岛北山海关 5 6 15 7 75 ，6 95 1 8 - 6 2 6 5 7 2 4 9 2 5 0 34 9 8 山海关一北京 1 2 7 91 2 8 61 2 8 31 1 9 31 1 0 6l i 4 91 1 2 3一“1 91 1 2 1 北京一保定 1 0 2 4 1 1 0 7 1 0 6 5 1 0 7 71 1 0 91 0 9 38 5 41 0 1 89 3 6 保定石家庄 1 1 9 01 1 2 2n 5 61 2 2 51 3 9 41 3 1 01 1 6 8一1 1 3 61 1 5 2 石家庄郑州 1 2 8 71 4 4 01 3 6 41 4 1 01 4 5 21 4 3 i1 1 6 61 2 ，3 l1 1 9 9 郑州驻马店 9 9 7 1 1 2 3 1 0 6 0 1 0 5 11 0 4 91 0 5 01 1 0 71 0 7 71 0 ，9 2 驻马店一武昌 1 1 6 01 2 0 8i i 8 41 0 9 01 2 1 31 1 5 11 1 0 81 0 4 81 0 7 8 武昌岳阳 i i 9 01 2 9 91 2 4 51 1 8 31 1 8 01 1 8 11 0 5 3- 1 1 7 81 1 1 5 岳阳长沙1 2 4 2 1 3 3 3 1 2 8 7 1 3 7 11 3 5 91 3 6 51 0 9 21 2 4 01 1 6 6 长沙_ 拱# 州 1 2 6 41 4 0 11 3 3 21 1 7 31 3 0 31 2 3 81 3 3 41 2 4 6 1 2 9 0 郴州韶关1 3 6 3 1 4 5 01 4 0 61 1 6 2一1 3 “1 2 7 31 2 1 11 2 6 41 2 3 7 韶关- 厂。州1 2 5 2 1 3 _ 3 31 2 9 31 3 2 71 4 1 11 3 6 91 2 6 01 2 4 61 2 5 3 广撇r 姒蓉 1 0 6 21 0 3 31 0 4 71 2 8 5 1 0 2 6 1 1 5 59 3 9- 9 ，0 79 2 3 1 6 北京交通大学硕士论文第三章s w - 2 2 0 型转向架构架主要吊支座的载荷识别 表3 - 2 垂向减振器座动态载荷最值( 沈阳一广州) t a b3 2m a x - m i nd y n a m i cl o a do f t h ev e r t i c a ld a m p e rs e a t ( s h e n y a n g - g u a n g z h o u ) 不同测点识别的载荷( 单位：k n ) 线路区段名称 3 位c 4 测点4 位c 5 测点 n m xm i n 幅值 n t a xm l n 幅值 沈阳台安 8 0 9 7 5 3 7 8 17 4 1- 9 3 28 3 7 台安盘锦北 4 0 64 1 74 1 25 6 76 8 86 2 8 盘锦北锦州南 4 3 45 0 54 7 05 2 66 6 85 9 7 锦州南葫芦岛北 4 8 85 3 l5 1 06 3 7- 6 3 66 3 7 葫芦岛北山海关 5 8 84 8 05 | 3 45 ，4 6- 5 4 85 4 7 山海关北京 8 8 8 1 0 8 8 9 8 81 0 7 81 0 9 31 0 8 6 北京保定 9 3 2- 9 1 8 9 2 5 1 0 7 8 1 0 2 81 0 5 3 保定石家庄 9 6 9- 9 5 09 6 01 0 2 61 0 9 71 0 6 2 石家庄郑州 9 1 11 0 6 6 9 8 91 3 6 81 2 9 51 3 3 2 郑州驻马店 8 1 58 3 6 8 2 5 i o 7 9 1 1 9 2“3 5 驻马店武昌 9 6 3- 9 5 39 5 81 1 9 81 i 7 61 1 8 7 武昌岳阳 8 4 7一i o 2 59 3 61 2 7 41 0 9 21 1 8 3 岳阳长沙 l o 2 21 3 5 31 1 8 7 1 1 | 5 7一1 3 1 51 2 3 6 长沙郴州 l o 0 69 9 61 0 o l1 2 1 91 4 5 51 3 3 7 郴州韶关 9 t 9一lo 5 99 8 91 2 1 81 2 8 21 2 5 0 韶关，州 9 0 91 0 6 99 8 91 2 5 8 1 2 7 21 2 6 5 广州广州东 8 0 57 8 47 9 41 2 2 1一l o 9 91 1 6 0 由图3 - i 可以知道，减振器座外立板弯角处布置了1 个测点c 1 ，这个测点能 忠实地反映激励特性，由式3 - 1 ，把实测的动态响应乘以相应测点的载荷系数， 就可以得到垂向减振器座在实际运行线路上受到的动态载荷，采用雨流计数法对 在沈阳一广州单程运行3 1 6 5 公里中各个区段测试识别的载荷一时间历程进行循环 计数处理，可以得到垂向减振器座上受到的载荷最值，同理将其他减振器座的载 荷最值分别列于表3 - 1 和表3 2 。 由表3 一l 和表3 - 2 的载荷最值可见： 台安至山海关间四个垂向减振器座受到的动态载荷与其他区段相比普遍较 小，如：测点c