（车辆工程专业论文）时速120kmh的提速货车可靠性试验与研究.pdf

摘要 摘要 鉴于2 0 0 6 年初，在提速货车1 2 0 k l n h 环行线第二阶段可靠性试验中，发现初始动 力学测试的3 8 辆车中有1 0 辆提速改造空车部分动力学性能指标超标；在近两个月运行 试验的6 0 辆车中有5 辆6 0 t 级车( g 6 0 k 型罐车2 辆，n x l 7 b k 型平车1 辆，c 6 4 h 型敞车 l 辆、g 7 0 h 型罐车1 辆) 承载鞍磨耗严重；摆动式转向架导框摇动座固定块脱落和侧架 向内倾斜等问题。 为尽快解决可靠性试验中出现的问题，在2 0 0 6 年1 0 月1 同前完成第六次大提速的 各项准备工作，确保第六次大提速顺利进行和提速货车1 2 0 k m h 运行安全可靠，铁道部 运输局装备部货车处立即组织齐车公司，西安、北京二七、株洲和眉山等有关工厂和铁 科院、四方所的技术负责人和专家集中在环行线进行专题攻关，并于4 月2 0 日成立了 提速货车1 2 0 k m h 可靠性试验联合工作组，系统分析、全面查找环行线可靠性试验中出 现问题的原因，研究提出改进措施和确保1 2 0 k m h 提速安全运行的技术方案、实施方案、 运用检修限度及评价标准。 针对上述车辆在试验中出现的问题，我迅速开展工作，首先对所有的6 0 辆参试车 辆进行了全面外观检查，对出现问题的7 辆典型车辆进行了全面分解检测及1 辆状态良 好车辆的对比分解检测：对前期多次动力学试验、综合性能试验及全面分解检测等数据 进行了梳理、汇总及分析；同时运用静力分析及动力学仿真计算比较分析的方法进行多 角度分析，查找影响因素，讨论阶段分析结果和改进方案，研究安排主要工作。在充分 分析、计算和讨论的基础上，提出了改进措施和试验验证方案并组织进行了动力学试验 验证。 关键词：货车提速；动力学性能；可靠性；动力学试验 人连交通人学旧# 硕+ 学何论文 a b s t r a c t i nt h el i g h to fe a r l y2 0 0 6 i nt h et r u c ks p e e d12 0 k m hc i r c u l a rl i n e1 nt h es e c o n d p h a s eo ft h er e l i a b i l i t yo ft h et e s ta n df o u n dt h a tt h ei n i t i a ld y n a m i c so ft h e3 8c a r st e s t e di n t h e10e m p t yp a r to ft h et r a n s f o r m a t i o no fs p e e dd y n a m i c sp e r f o r m a n c es t a n d a r d ；i nt h el a s t t w om o n t h st e s tr u no f6 0c a r si n56 0 t - c l a s sc a r s ( g 6 0 k 一2t a n k e r s ，n xi7 b k a - c a r ，c 6 4 h a g o n d o l ac a r ，g 7 0 ht a n k e r - a ) as e r i o u sb e a r i n gw e a rs a d d l e ；s w i n g - g u i d e db o g i ef r a m eb l o c k s h a k eo f faf i x e db l o c ka n ds i d eo ft h ep l a n et i l t e di n w a r d a ss o o na sp o s s i b l et ot e s tt h er e l i a b i l i t yp r o b l e m s ，i no c t o b e r1 ，2 0 0 6t oc o m p l e t et h e s i x t hm a j o ra c c e l e r a t i o no ft h ep r e p a r a t o r yw o r kt oe n s u r et h a tt h es i x t hg r e a ts p e e da n d s m o o t hv e h i c l es p e e d12 0 k m hs a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，t r a n s p o r te q u i p m e n t ，t h e m i n i s t r yo fr a i l w a y sb o a r dl o r r i e sd e p a r t m e n ti m m e d i a t e l yq ic a rc o m p a n y ，x i a n ，b e i j i n g o nf e b r u a r y7 ，z h u z h o ua n dm e i s h a ni r o na n df a c t o r i e sa n ds oo na s t r i ，t h eq u a r t e ti s r e s p o n s i b l ef o r t h et e c h n i c a la n de x p e r to nt h ec e n t r a ll i n ef o rr e s e a r c ht o p i c s ，a n d42 0t os e t u pa t r u c ks p e e d12 0 k m ht e s tt h er e l i a b i l i t yo ft h ej o i n tw o r k i n gg r o u p ，s y s t e m sa n a l y s i s ， t of i n dac o m p r e h e n s i v ec i r c u l a rl i n er e l i a b i l i t yt e s t sa p p e a ri nt h ec a u s eo ft h ep r o b l e m ，t h e s t u d ym e a s u r e st oi m p r o v ea n de n s u r et h e12 0 k m hs p e e dt h es a f eo p e r a t i o no ft h et e c h n i c a l p r o g r a m ，t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o g r a m ，l i m i tt h eu s eo fm a i n t e n a n c ea n de v a l u a t i o n c r i t e r i a i nr e s p o n s et ot h e s ev e h i c l e si nt h et e s tp r o b l e m s ，t h ej o i n tw o r k i n gg r o u pt ow o r k q u i c k l y ，f i r s to fa l l6 0v e h i c l e st e s t e dh a dt h ea p p e a r a n c eo fac o m p r e h e n s i v ee x a m i n a t i o no f t h ep r o b l e m st y p i c a lo f7v e h i c l e s ，ac o m p r e h e n s i v et e s t i n ga n dab r e a kd o w ni ng o o d c o m p a r a t i v et e s t i n go fv e h i c l e sb r e a kd o w n ；m a n yo ft h ee a r l yd y n a m i c st e s t i n g ，p e r f o r m a n c e t e s t i n ga n dd e t e c t i o n ，s u c ha sd e c o m p o s i t i o no fac o m p r e h e n s i v ed a t as o r t ，s u m m a r ya n d a n a l y s i s ；a tt h es a m et i m et h eu s eo fs t a t i ca n a l y s i sa n dd y n a m i cs i m u l a t i o no fac o m p a r a t i v e a n a l y s i so ft h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fm u l t i a n g l ea n a l y s i s ，f i n df a c t o r st od i s c u s st h er e s u l t s o ft h ea n a l y s i ss t a g ea n di m p r o v i n gt h ep r o g r a m ，t h em a i nr e s e a r c hw o r ka r r a n g e m e n t s i nt h e f u l la n a l y s i s ，c a l c u l a t e do nt h eb a s i so ft h ed i s c u s s i o n sa n dp u tf o r w a r dm e a s u r e st oi m p r o v e t h et e s ta n dv e r i f i c a t i o np r o g r a mf o r t h eo r g a n i z a t i o na n dd y n a m i c so ft h et e s t k e yw o r d s ：v e h i c l es p e e d ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e ；r e l i a b i l i t y ；d y n a m i c st e s t 大连交通大学学位论文独创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得大连交通大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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 日期： 2 0 0 8年27 - b 7 日 大连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太蓬童适太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬童通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为大连交通大学。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太适童通太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：万雾修 日期：) 力7 婢l 月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师繇彳f 彬卅承够 日期：冽缉f 瑚f 日 电话： 邮编： 绪论 第一章绪论 产品的可靠性是衡量产品质量的重要指标之一，也是产品竞争力的重要标志。近年 来，世界各发达国家已把可靠性技术和全面质量管理紧密地结合起来，有力地提高了产 品可靠性水平。可靠性试验是可靠性工程技术的一个重要组成部分，它是对产品的可靠 性进行调查、分析和评价的一种手段，也是提供或保证产品可靠性的重要环节。 1 1 可靠性试验的背景与过程 为适应我国经济迅速发展的要求，铁道部从1 9 9 7 年4 月开始我国成功完成了五次 主要干线的列车提速，旅客列车速度达到1 6 0 k m h 。然而，货物列车的速度还停留在“空 7 0 重8 0 ”的水平上，这严重制约了列车的进一步提速。近年来，铁道部在机车车辆装 备上加大了投入力度，使我国的机车车辆装备技术水平上了一个台阶。除各种动车组、 摆式列车等客车外，也出现了装配转k 2 转向架、k 4 转向架的1 2 0 k m h 公旱敞、棚、平、 罐新型通用铁道货物车辆和装配转k 5 转向架、k 5 转向架的1 2 0 k m h 公里铝合金运煤专 用车辆。现在的1 2 0 k m h 新型通用货车，与1 0 年前的货车相比已是“面目全非”。在 1 2 0 k m h 货车上均体现出了科学技术进步的新成果，比如新型1 2 0 k m h 转向架、高强度 耐候钢、1 3 号下作用式车钩、m t 一3 大容量缓冲器、新型组合式制动梁、1 2 0 空气制动 阀等【1 1 。 然而，我国的1 2 0 k m h 货车还未进行过长时间的运行考验和试验，对以后1 2 0 k m h 货车实际运营后可能发生的问题尚不清楚。虽然我们的1 2 0 k m h 货车都通过了出厂时的 动力学性能试验，但这种试验难以暴露可靠性方面的问题。 为适应跨越式发展的要求，考验我国1 2 0 k m h 货车的在长时间、高速度下运行的可 靠性，铁道部决定在铁道科学研究院( 铁科院) 东郊环形线试验基地进行1 2 0 k m h 提速 货车运行性能可靠性考核试验。要求尽可能地模拟现场运用条件和实际运行的操作方式 通过长时间在环形线上的运行，对我国目前主型提速货车在1 2 0 k m h 最大运用速度下的 可靠性进行试验验证，并在试验中对被试车辆各主要零部件，包括转向架、制动系统、 轮对等进行日常检测、定期检测和阶段检测与试验，确定其在考核期内的适应性和可靠 性。 根据铁道部指示与要求，铁科院机辆所编写了提速货车1 2 0 k m h 环行线可靠性试 验大纲。2 0 0 3 年7 月2 3 日铁道部科技司会同装备部组织路内专家，在北京召开会议， 对提速货车1 2 0 k m h 环行线可靠性试验大纲初稿进行了讨论。铁科院机辆所根据会 议纪要的要求，对试验方案、测试内容、管理方法等进行了仔细研究，对试验大纲进行 人连交通人学i ：稃硕+ 学位论文 了认真细致地补充和完善，并形成报部审批稿，并以 - 2 0 0 3 2 0 4 “关于呈送提速货车 1 2 0 k m h 环形线可靠性试验大纲的函”报部进行审批。铁道部运输局以运装货电 2 0 0 3 1 2 8 3 号( 电报5 2 4 号) 进行了批复1 2 j 。 2 0 0 3 年1 2 月1 6 日1 7 日提速货车1 2 0 k m h 环形线可靠性试验工作领导小组在铁 科院环形线组织召开了关于“提速货车1 2 0 k m h 环形线可靠性试验”的工作会议。会上 领导小组听取了试验项目组关于试验准备工作完成情况的汇报，并作了总动员。2 0 0 3 年1 2 月1 8 日，环形线可靠性试验正式上环试验。 2 0 0 3 年1 2 月1 8r 至2 0 0 4 年8 月3 同完成了可靠性试验1 8 万的运行里程，总罩程 为1 8 2 7 4 1 5 公罩，其中1 2 0 k m h 速度级的里程为1 2 7 1 1 7 5 公里，约占总里程的7 0 。 2 0 0 4 年8 月4 日至8 月3 0 日，试验项目组对已完成1 8 万运行里程的所有的参试车辆进 行了不同种类的试验与检测。主要包括所有参试车辆( 共计3 7 辆) 的动力学性能试验， 所有参试车辆的制动性能试验与检测，所有参试车辆的各磨耗尺寸、踏面形状的检查， 所有参试车辆的轴承进行了转轴及轴向间隙等参数的检查。 2 0 0 4 年9 月1 日至9 月2 0 日，环形线可靠性试验的2 4 辆车被调往临沂北进行 1 2 0 k m h 货车列车的综合性试验。试验期问我们对重点的车辆进行了动力学性能实时监 测，对其它车辆按照环形道的车辆检查进行日常检查。至此，提速货车1 2 0 k m h 环形线 可靠性试验的全部试验工作结束。 1 2 可靠性试验的目的 提速货车1 2 0 k m h 环形可靠性试验的目的概括起来有以下几方面1 3 j ： ( 1 ) 对我国目前主型提速货车在1 2 0 k m h 运用速度下的可靠性进行试验验证。 ( 2 )对货车车辆及关键零部件的可靠性及评估方法进行初步探讨。 ( 3 )逐步建立并完善我国车辆可靠性试验的试验方法和规范。 1 3 可靠性试验的组织与管理 2 0 0 3 年1 0 月1 5 日铁道部以铁运函 2 0 0 3 4 3 1 号文件下发了“关于提速货车环形 线1 2 0 k m h 试验的有关安排的通知”，确定了以铁道部副总工程师耿志修为组长的试验 领导小组；确定了以铁道科学研究院李金森研究员为组长，各车辆工厂、铁路局、高校 及科研院所技术专家参加的试验专家组；确定了以铁道科学研究院为组长，北京铁路局 车辆处、齐车公司、株洲、二七、西安车辆厂参加的试验运行指挥组。各组的职责如下： 试验领导小组：对整个试验进行领导，对试验计划与方案、重大问题进行审批。 试验专家组：按照试验大纲要求指导分析、处理试验中出现的技术性问 2 绪论 题和出现的故障、事故。 试验运行指挥组：在试验中按照试验大纲要求负责试验列车在环形线的 试验和指挥。 铁科院根据4 3 1 号部文的安排，精心组织，落实试验工作中各项责任与义务，同时 成立了以下有关试验小组： ( 1 ) 试验项目组在试验领导小组的领导下，在试验指挥组的统一指挥下，按照 试验大纲的要求及专家组会议的精神进行具体的可靠性试验工作。负责编写 试验报告； ( 2 ) 试验安全保卫组负责试验期间参试车辆及人员在环形线的安全保卫工作； ( 3 ) 试验后勤保障组负责试验期间所有参试人员在东郊分院的住宿及饮食等 后勤保障工作。 试验组及环行线试验基地有严格的岗位职责、完整的工作流程、必要的 技术装备及得力的安全保障措施、严密的管理办法。参加试验的人员纪律 严明，工作认真负责，既保证了列车运行安全，又保证了试验数据的可靠。 1 4 可靠性试验的意义和效果 此次环形线提速货车可靠性试验是在有条件下的可靠性试验，因为要完全模拟实际 运行条件是非常困难的。但是，就此次试验的总体结果来看，效果是显著的，意义是重 大的。装用转k 2 和转k 4 转向架的2 1 吨轴重的敞、棚、平、罐各主型提速货车以及2 5 吨轴重的运煤专用车在1 2 0 k m h 运用速度下经历了长时间的考验。2 1 吨轴重车辆试验总 里程1 8 2 7 4 1 5 k m ，其中1 2 0 k m h 的里程为1 2 7 11 7 5 k m ( 图卜卜1 ) ，约占总里程的7 0 。 2 5 吨轴重车辆由于各型车参试时间不一致，试验总里程有所差别( 图卜卜2 ) ：c 7 6 h 型 车1 2 3 6 3 k m ，c 7 6 型车和c 8 0 型车9 1 0 1 8 k m ，c 8 0 h 型车4 5 0 8 4 k m 。各型车在1 2 0 m h 进度 下的运行旱程均占总运行里程的约7 0 。试验结果表明，被试提速货车在整个试验期间， 没有发生脱轨、颠覆、热轴( 切轴) 等重大行车事故；大部分车辆各主要零部件没有出 现危及行车安全的故障；动力学性能试验结果表明，大部分被试车辆的状态比较稳定， 动力学性能基本处在良好水平1 4 j 。 同时，在整个试验中也暴露出车辆性能及零部件等方面的一系列问题，比如： ( 1 ) 钩高互高差超限； ( 2 )交叉支撑装置转向架摩擦减振装置减振不良； 3 人连交通人学。i ：稃硕十学何论文 ( 3 ) k 4 转向架摇动座定位不良侧架倾呈八字形，导框内侧磨耗严重； ( 4 )k 2 转向架出现承载鞍严+ 重磨耗； ( 5 )k 4 转向架旁承磨耗板螺栓折断、丢失，摇动座固定块丌焊丢失； ( 6 )合成闸瓦某些产品不耐磨及对车轮踏面的热损伤； ( 7 )车轮踏面的剥离； ( 8 )1 2 0 阀局减阀漏泄； ( 9 ) 空重车阀间隙超限。 由于我国货车的运营速度还未达到1 2 0 k m h ，即使新车型的动力学性能试验速度达到了 1 2 0 k m h ，但在1 2 0 k m h 速度下的运行罩程一般都是几十公罩，十几分钟时间，未长时 间运行，这些问题很难暴露出来。然而这些问题的存在无疑将会成为我国丌行1 2 0 k m h 货车的安全隐患，这些问题的发现与解决将大大提高我国提速货车运行品质和可靠性。 此次试验虽然是在环形线有限的条件下进行的，但是在铁道部试验领导小组的正确领导 下，在试验专家组的在技术方面的有力支持下，在铁科院领导及项目组对试验方案及条 件的精心设计下，以及在各工厂及相关单位的大力配合下，大家齐心协力、顽强拼搏， 安全顺利、保质保量、圆满地完成了试验任务，其效果是显著的。试验获得的大量宝贵 信息可以为完善和改进车辆设计，生产及质量控制提供了非常有价值的参考资料，为我 国货车提速1 2 0 k m h 提供了试验依据。 但是，环形线的试验条件与实际运行的线路有较大的区别： 试验线路等级较正线线路要好，可靠性试验中设置了各类线路不平顺不能完全 代表实际绑线路上的复杂情况； 线路工况单一，只是同一方向的圆环，超高变化很少； 环形线线路没有道岔，而且是无缝线路小曲线工况较少。 因此，对于1 2 0 k m h 货车来讲，鉴于环形道可靠性试验中暴露出了许多各类问题以及环 形线线路工况与实际运行线路的差异。为了确保在今后我国开行1 2 0 k m h 更高的安全性， 需要对环形线可靠性试验中暴露出的各类问题有一个较好的解决方案或改进措施，同时 应在实际运营线路上对1 2 0 k m h 货车继续进行考核。 本章小结 本章讨论了可靠性的背景与过程，并明确了可靠性研究的目标以及可靠性试验的意 义和效果。 4 第二章相关知识 第二章相关知识 2 1 可靠性定义 铁路货车转向架可视为一种专用产品。作为产品的可靠性定义如下：“产品在规定 的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。 应当指出，产品可靠性的原本含义是 从产品的失效概率来评定产品完成规定功能的能力，一般以产品的可靠度等来衡量。但 是我国铁路目前尚缺乏对转向架及其零部件的失效概率的统计数据。许多基础性研究工 作有待进行，因此，本文试图从转向架的不同运行阶段的动力学性能进行分析来评价其 可靠性【5 】。 2 1 1 铁路货车与转向架的规定条件 ( 1 ) 线路条件：i 、i i 、i i i 级准轨线路，直道、弯道、侧线、道岔等： ( 2 ) 气候条件：炎夏、寒冬的温差，雨、雪、风沙等的侵入和侵蚀： ( 3 ) 运行速度条件：一般货车，根据线路条件不同，最高运行速度1 2 0k m h ( 转k 2 型转向 架属于此条件) ：快速货车，特定线路，最高运行速度1 6 0k m h ： ( 4 ) 装载条件：敞、棚、平、罐及各型专用、特种货车的空车、重车( 满轴重) 状态。 2 2 2 铁路货车转向架的规定时间( 即运用期限) 一段修期( 1 1 1 5 年) ：可局部修复： 一厂修期( 8 - - 9 年) ：全面修复： 全寿命期：2 5 年。 2 1 3 铁路货车转向架的规定功能 承载车辆，安全运行。具体地说，即在全国铁路各种正常的线路条件下，在规定的运 行速度范围内，在一年4 季全天候气候条件和各型货车的空、重车状态下，在各个段修期 限内，各型货车的运行平稳性和安全性各项动力学性能符合铁道车辆动力学性能评定 和试验鉴定规范( g b 5 5 9 9 - - 8 5 ) 的规定，转向架各承力构件不发生疲劳破坏，不发生热轴 事故，除闸瓦外的各零部件磨损在规定的限度内，能在规定的距离内平稳制动。 2 2 可靠性分析 这里讲的可靠性分析也不是分析零部件的故障率或失效率，而是从转向架的总体结 构性能来分析保持转向架安全可靠运用的条件。由可靠性定义可知，转k 2 型转向架的可 靠性可概括为在1 2 0k m h 运行速度条件下，保持安全、平稳、耐用的能力。这种能力是 5 人连交通人学i ：稃硕十学位论文 靠转k 2 型转向架的结构、参数和所用材料的性能柬保证的。组成转向架的各零部件形成 确保转向架运用可靠性的整体功能，但各部件的功各不相同，可分为结构可靠性、性能可 靠性、耐磨可靠性进行分析1 6 j 。 ( 1 ) 结构可靠性 组成部件不失效，承力构件不发生疲劳破坏。例如，若摇枕发生疲劳裂纹，将丧失承 载能力，可能危及行车安全。结构可靠性是货车转向架的最基本属性。结构可靠性，即安 全耐用，不丧失基本能力。 ( 2 ) 性能可靠性 性能可靠性是保持转向架动力学性能满足规范要求的能力。由转向架结构参数保 证，包括转向架的弹簧刚度、回转阻力矩、抗菱刚度、相对摩擦系数、轮对定位摩擦系 数( 指转k 2 转向架侧架导框承台面与承载鞍间的摩擦系数) 以及踏面等效斜度等。例如， 由于旁承磨耗板过度磨耗或摩擦系数过小，或弹性体预压力不足，致使转向架回转阻力 矩不足，则可能导致运行速度达1 1 0k m h 以上时发生蛇形失稳，动力学性能恶化，各部磨 损加剧，甚至造成脱轨事故。对于1 2 0k m h 提速货车，转向架的上述参数，必须保持在规 定的范围内。可能引起参数变坏的因素都应严格控制。 ( 3 ) 耐磨可靠性 由于货车转向架各部件之间存在多处摩擦部位，磨耗不可避免，过大的磨耗既影响 结构可靠性，也影响性能可靠性。因此对各摩擦部位的耐磨性以耐磨可靠性来评定。耐 磨可靠性好，即在规定运用期限内磨耗量小于规定限度的能力。这取决于各摩擦副的材 料性能。例如，北京环形线第一阶段试验中，一辆装转k 2 型转向架的空罐车，由于承载鞍 材质铸态缺陷及热处理不良造成材质硬度低，耐磨性下降，致使该车在可靠性试验中出 现承载鞍严重磨耗，造成轮对定位不良，在1 2 0k m h 速度运行时发生蛇形失稳。 为确保转向架的可靠性，须采取措 施达到以下3 项基本要求： ( 1 ) 防止转向架零部件发生疲劳破坏： ( 2 ) 防止转向架各摩擦部位产生过度磨损： ( 3 ) 确保转向架的性能参数保持在规定的范围。 2 3 提高转向架可靠性的途径 为达到上述3 项可靠性基本要求，须通过系统可靠性工程来实现，即把可靠性观念贯 穿于转向架设计、制造和运用维修的全过程：一是提高转向架的设计技术水平，以提高转 向架的设计可靠性：二是加强生产质量控制，以确保批量生产的转向架达到设计可靠性 6 第二章相关知识 要求：三是加强运用可靠性管理和维修，以确保转向架结构性能在长期运用中保持在设 计规定的水平1 7 1 。 2 3 1 加强实验研究，提高设计技术水平 产品的可靠性源于产品的设计。在产品的设计过程中要从可靠性的概念出发，仔细 考虑产品的结构、性能、选材和工艺等各项细节来确保产品在使用期内发挥其功能的能 力，对于新的转向架研发或原有转向架的改进研究都应遵循这一原则。在转向架设计和 研制过程中如何提高可靠性，下面从转向架的设计与研制过程来分析。 图1 是现代货车转向架研制与生产运用全过程的流程图。一个转向架的研发过程可 分为3 个阶段：( 1 ) 设计分析：( 2 ) 试制试验：( 3 ) 运用考验。这3 个阶段都可为转向架的 可靠性能否满足要求提供信息，必须一个环节一个环节地采取措施，特别是要加强试验 研究阶段和运用考验阶段的信息反馈，形成转向架研发过程的闭环管理，才能有效提高 转向架的设计水平，从而提高转向架的设计可靠性，研制出高可靠性产品。 ( 1 ) 有限元静强度分析提高结构可靠性的必要手段。通过有限元分析，优化结 构设计。但由于结构的复杂性和货车运用中实际载荷的复杂性，往往因单元划分和载荷 选取不同，出现较大误差，要通过试验和运用考验来验证，注意积累经验，不断改进和提 高。 ( 2 ) 模态分析及疲劳寿命估计。有限元之下的模态分析是对有限元建模的结构进行 振动分析的一种方法。可以分析结构的各阶固有频率、阻尼比和振型，避免零部件之间 或车体与转向架之间发生耦合共振。也可与动力学仿真分析相结合，求得结构各部的动 态应力变化，进行结构的疲劳寿命估计，即动强度分析。模态分析过程，也称动态设计，对 提高结构可靠性十分重要，这是设计的高级阶段。模念分析要做好，特别是动力学仿真下 的模态分析，须积累经验，不断改进。对复杂的结构应进行试验模念分析，这是验证计算 分析的手段。 ( 3 ) 动力学性能仿真分析。是建立数字样机，对转向架装于货车之后的运行性能进行 预测，可评定车辆的安全性、平稳性和稳定性。对于确定转向架的结构参数、提高性能 可靠性必不可少。目前，可以a a r 的n u 2 c a r s 软件为基本手段，对货车转向架进行动力学性 能仿真分析，再结合动力学性能试验进行验证，经过较长时间的积累，最终形成适合我国 线路条件的仿真软件。 ( 4 ) 零部件的静强度、疲劳试验结果必须符合有关规定，并验证设计计算，修正有限 元分析和疲劳强度分析中的模型和参数，使计算分析与试验结果相一致。在关键零部件 的疲劳试验中，要特别注意疲劳载荷谱的选取。有时，疲劳载荷谱的选取就是一个需要通 7 人连交通人学i ：科硕+ 学位论文 过运行试验测试和编谱的研究过程。 ( 5 ) 动力学性能试验，考核车辆的运行安全性、平稳性和稳定性，其结果应反馈于动 力学仿真计算，验证计算结果的币确性或分析其差异。通过试验可暴露转向架的结构性 能问题，为改进设计提供依据。 ( 6 ) 动强度及关键零部件载荷谱测试与编制。 ( 7 ) 运用考验暴露结构、性能、耐磨及检修性等方面问题，以改进结构设计及 提高质量控制水平。这是提高产品可靠性的重要阶段。新产品运用考验应有定的数量 和时间，至少1 0 辆份，运用考验0 1 5 年1 年或更长时间。 上述产品研发的3 个阶段应严格进行，并形成闭环管理才能有效提高产品的设计技 术水平。 2 3 2 加强产品质量控制，提高生产管理水平 货车转向架在批量生产过程中的质量控制与生产管理，是确保全部运用转向架达到 设计可靠性的关键，应建立严格的制造工艺规程和检测制度。例如，摇枕、侧架批量生产 过程中的裂纹检查与探伤，必须按技术条件规定严格执行，一旦漏检了超出规定值的裂 纹，在长期的1 2 0k i n h 速度运行中，裂纹逐渐扩展，就可能出现断裂的重大事故。又如承 载鞍的铸造和热处理，必须严格按工艺要求进行，防止材质疏松和硬度不足，确保承载鞍 的耐磨性，否则会出现轮对定位失效，发生蛇形失稳，造成脱轨事故等【8 】。 生产质量控制不仅要落实到班组具体操作者，而且要使管理人员牢固树立可靠性概 念，加强生产过程管理。例如，探伤人员严格按规程对摇枕、侧架进行探伤检查，并做记 录，管理人员要严格检查操作者的实际检测结果，对探伤结果进行统计分析，一旦发现裂 纹部位和大小有统计规律，要及时分析原因，改进生产工艺，提高产品质量。其他部件的 管理也应一一建立信息统计分析与反馈报告制度。外购配件也应引入可靠性管理。生产 检查部门的统计结果，每月应上报给企业的生产管理者，并反馈给技术中心，以及时处理 各类问题。 也就是说，在转向架的批量生产过程中，不但要加强产品质量检测，更要加强检测结 果的统计分析。要成立可靠性管理机构，贯彻可靠性管理措施，建立完善的信息分析、统 计与报告制度，进行人员培训与教育等等。 2 3 3 加强转向架运用、维修的可靠性管理 为了维持转向架在长期运用中的良好运行性能，必须加强运用维修的可靠性管理， 对于长期运行速度达1 2 0k m h 的货车转向架，其承受的动力作用较大，各部磨耗、连接 件松动、承力构件裂纹等故障都可能发生，除加强日常运用中的检查、维护外，更要加强 8 第二章相关知识 l 缮祷设计 l l 改进设计i 令吾 | 攥森。疲劳强鏖分析 l 。一 参吾， l 惑 一l 动力肇饿麓仿赛分析 c 纛畚毋 飞：磐一 j l j z 艺分 l 奠囊廿掺 1 月口p a 目 完成蹦棒i 爱计样机试嬲| 一祈、工艺一l 铬构，涎繁 搪麓保证 1 馅枸参数 ll工毒 部件瘦睁强度动力攀及 专璜试验( 帮徉耐 蠹性功毙、振动 势试验斌验动强度试骏 蠢态试黢等) j】l l 囊定计 毫公番 算分拆 程 葶及 参数掺 串。 一一4 一一 噩 h 机望糍卜恕至妙一 仑蓊t 图2 1 产品研制与生产运用过程流程图 f i g2 1h a n d l i n gf l o wc h i no fp r o d u c tr e s e a r c h 卸dp r o d u c e 9 大连交通人学+ i ：稃硕十学何论文 厂、段修时按修程进行的检查与修复。在厂、段修中贯彻可靠性管理，组织专门人 员对发生的故障及磨耗状态进行统计分析，发现规律性故障或磨损要及时上报，并把故 障或磨损的信息及时反馈给转向架制造厂，厂段结合采取改进措施，维护转向架保持良 好运行性能的能力，确保转向架长期运用的可靠性。 2 3 4 长期坚持产品质量跟踪，持续改进，形成高可靠性产品 货车转向架是货车通用产品，其生产数量较大、生产持续时间长、运用范围广、使 用周期长，因此研制、生产单位要树立长期质量跟踪观念，把产品的长期生产与运用过程 列入可靠性管理。 如图2 1 下部所示，产品投入批量生产和运用之后，需继续进行质量跟踪，发现问题不断 改进，使产品生产、运用的长期过程成为闭环管理过程，才能形成高可靠性产品。 2 4 动力学性能计算的基本原理 载重7 5 t 矿料、钢材运输专用车的动力学性能按g b t 5 5 9 9 1 9 8 5 铁道车辆动力学 性能评定及试验方法进行评定和考核。计算的主要内容有车辆蛇行运行稳定性、运行 平稳性和通过曲线时的安全性能等，主要动力学性能指标包括： ( 1 ) 车辆蛇行运动稳定性的临界速度( v 盯) ； ( 2 ) 车辆在直线上运行时横向和垂向平稳性指标( w v ，w z ) ，车体的横向及垂向最大 加速度( a v ，a 、) ； ( 3 ) 车辆通过曲线时的轮轨横向力( q ) 、轮轴横向力( h ) 、脱轨系数( q p ) ，轮重减载 率( ap p ) 和倾覆系数d 。 2 4 1 运行稳定性计算原理 铁道机车车辆运行时伴随一种特殊形式的自激振动蛇行运行，蛇行运动是具有 一定形状踏面的铁道车辆轮对沿着平直的钢轨滚动时，会产生一种振幅有增大趋势的特 有运动。轮对一边横向移动，一边又绕通过其质心的铅垂轴转动，这是一种白激振动。 轮对的蛇行运动会诱发转向架和车体在横向平面的振动。长期以来，求解机车车辆的横 向运动微分方程采用两步q r 法的有效方法。但该法要求运动微分方程必须是线性的。 对于非线性的车辆系统，蛇行运动的微分方程也是非线性的，在仿真分析中采用数值积 分方法来估测车辆的蛇行运动稳定性的临界速度v c r 。前面推导的系统微分方程组可用 下列矩阵形式表示： 瞰】往) + c g ，s o + x ( x ，文) = 0 ( 2 1 ) 式中： m 卜一质量矩阵； 1 0 第二章相关知识 霎一耋蓁一 喜习卜一套洲删脚 人造交通人学【拌硕+ 学伶论文 l y ，= f ( t ，y yy _ ”y 。) y ，( t o ) = y m( 23 ) y ，( f 。) = y ，。 【 激扰力是由于轨道不平顺引起的。由于线路铺设和维修的实际丁作条件，线路不可 能绝对平整，往往线路的实际情况与理想情况是i 一致的。线路名义尺寸与实际尺寸 之差称为线路不平顺。线路不平顺不是一个确定量，它因时因地而有不同值，它的变化 舰律是随机的，具有统计规律，因而称为随机小，刚匝。设在线路同一横截面x 处， 侧 钢轨顶部实际位置与名义位置垂向偏差为z 扛) ，横向偏差b ) ：右侧钢轨顶部吱际位 簧与名义位置的偏差垂向为z 。b ) 横向为j j 扛) ，如图23 。 l 。 凹23 线路不平顺揣述 f i g2 3d e s c r i p t i o no f t r a c kl i n e s i r r e g u l a r i t y 在计算中用这些轨道不平顺作激扰输入。由于轨道是山左右两根钢轨组成的，其不 平顺也是由左右钢轨的不平顺组成的。为了便于表达和分析，线路不平顺可以分为下面 四种： ( 1 ) 轨道垂向不平顺z 。“) ，为轨道实际中心线与名义中心线垂向偏差，引起车辆 和轮对之间的垂向振动和轮轨之间的垂向作用力。 z o ) ：型生妄! 趔 ( 24 ) 亟 第二章相关知识 ( 2 ) 轨道水平不平顺z n g ) ，是指轨道同一横截面下，左、右钢轨顶面的高差， 使轮对产生侧滚激扰，引起车辆横向振动和侧滚振动并产生相应的轮轨作用力。 z ，b ) = z l b ) 一z 月b ) ( 2 5 ) ( 3 ) 轨道方向不平顺匕b ) ，即实际轨道面中心线与名义中心线的横向偏移，其值 为左右两钢轨横向偏差的平均值，引起车辆和轨道的横向振动及相应的轮轨作用力。 l ( x ) ：丛掣幽 ( 2 6 ) 么 ( 4 ) 轨距不平顺ex ) ，即为实际轨距与名义轨距的偏差。轨距不平顺改变左右轮 轨接触点的位置，引起轮对的上下移动，产生车辆的垂向振动和钢轨的横向振动以及轮 轨相互作用力。 k g ) = r l ( x ) 一k g ) ( 2 7 ) 式中：g名义轨距。 轨道不平顺可以有时域表示法和频域描述法两种方法进行描述。 a 时域表示法 将轨道检测车某次检测测得的轨道不平顺样本记录作为时间t 的函数直接以z 矿( ，) ， z f ，o ) ，y 。o ) ，y p o ) ，形式记录下来的方法，称为时域表示法。但是从铁路实际来讲， 用时间函数来表示轨道不平顺并不方便，一般采用距离x 的函数来表示轨道不平顺，即 用z 矿x ) ，z 。，b ) ，儿g ) ，y g g ) 。 b 频域描述法 时域表示法的轨道不平顺实测样本仅是一次检测记录所构成的一个样本，但在相同 条件下对同一种线路不平顺进行多次测试，每次的记录并不相同，这些不同的样本表现 出不确定性，不重复性和不可预测性，但是这些样本存在着同样的统计规律性。因此轨 道的不平顺性可采用统计方法来描述。铁路技术部门描述轨道不平顺时最常用的方法是 采用功率谱密度函数，即把大量的线路不平顺样本经过数学处理后，拟合成某线路区间 或某等级线路的功率谱密度函数。这种方法称为频域描述法。 由于我国还没有自己的线路谱，因此在仿真计算中的轨道不平顺采用与我国干线铁 路相似的美国v 级线路谱。利用四阶龙格一库塔数值积分法求解( 2 5 ) 式，求出车辆各部 件的位移、速度、加速度响应。根据车体振动横向及垂向加速度随时间的变化历程，用 快速傅立叶变换( f f t ) 求出不同频率下的加速度值，根据g b t 5 5 9 9 1 9 8 5 ，用平稳性指标 法求出车辆的横向及垂向平稳性指标w v 、w ：。 1 3 大连交通人学r 程硕十学伊论文 2 4 3 动态曲线通过计算原理 线路曲线是由一段超高和曲率不断变化的缓和曲线和一段超高和曲率都固定的圆 曲线组成的。车辆由直线驶入曲线，特别是通过缓和曲线时，由于各种激扰因素的输入， 轮轨之间将产生复杂的轮轨作用力，这些因素对车辆不同部位的作用都是各不相同的， 也是随车辆运行距离而不断变化的。因此车辆通过有限长的曲线( 特别是缓和曲线) 时的 响应是一个动态过程。这一过程可用一个多自由度的整车模型来摸拟，通过数值积分法 求解轮轨相互作用力及车辆的横向动力性能【9 】。 车辆通过曲线时可能会受到以下几个方面的激扰作用： ( 1 ) 曲线的曲率及其变化。 在缓和曲线上，曲线半径由直线部分的无穷大均匀变化为圆曲线的半径，其半径随 缓和线的位置而按一定函数关系变化。 ( 2 ) 超高角及其变化。 在圆曲线上，根据车辆通过曲线时的速度确定超高常数。在缓和曲线上超高由零变 为圆曲线的常数。 ( 3 ) 轮轨接触角及其变化。 ( 4 ) 轮对侧滚角及其变化。 ( 5 ) 车辆在对应曲线上的离心力。 ( 6 ) 线路不平顺。 线路不平顺谱取美国v 级线路谱。 车辆通过曲线时的非线性运动微分方程的矩阵形式为： m 】扛) + g g ，戈) - - - 以) ( 2 8 ) 式中： m 一质量矩阵； c ( x ，戈) 一非线性悬挂力； x 一状态向量。 f 一外界激扰矢量。其中包括曲线半径变化、超高变化、陀螺效应、轮 轨几何变化等引起的轮轨力和离心力。 计算程序中采用四阶龙格一库塔积分法求解( 2 8 ) 式。以车辆第一轮对进入曲线起点 为初始点开始积分。由于轮轨间的蠕滑力与轮轨问的垂向力互相影响，因此在积分前要 反复迭代至规定精度。然后再继续前进，每前进一步迭代次，直到车辆走完规定行程 为止。车辆每走一步记录其运动状态。积分完全结束后，全部结果存于数据文件中，根 据所有记录可绘出车辆运动的全部历程。 1 4 第二章相关知识 2 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 与本文相关的评价车辆动力学性能的内容主要有：车辆运行平稳性( 旅客乘座的舒 适性或运送货物的完整性) ，车辆运行稳定性( 安全性) 。 2 5 1 货车运行平稳性 ( ( g b 5 5 9 9 - - 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范中规定货车运行平稳性 ( 确保运送货物的完整性) 分别按平稳性指标、最大振动加速度和平均最大振动加速度 评定。 ( 1 ) 平稳性指标采用计算公式： w = 7 0 8 ) 表2 1 列出了频率修正系数，表2 2 列出了平稳性等级指标。 表2 1 频率修正系数 t a b 2 1b e t t e r m e n tf r e q u e n c ec o e f f i c i e n t (