（车辆工程专业论文）铁路提速货车摆式转向架系统可靠性研究.pdf

j t 塞窑逼盘堂亟堂焦迨塞 生塞擅墨 中文摘要 摘要：为实现铁道部铁路运输提速战略，顺利实现货车提速，需要考核新型1 2 0 k m h 货车转向架及各部件的可靠性。新型1 2 0 k m h 摆式转向架是一种技术先进、运行 品质良好的转向架。其动力学性能可以满足我国货车提速和新一代货车主型转向 架的要求，可在不同车种上装车。但其结构可靠性和运用可靠性还需进一步进行 验证。为此铁道部组织了环行线1 2 0 k m h 提速货车可靠性试验。本文在此基础上 针对摆式转向架转k 4 、转k 5 型进行了系统可靠性研究。 首先通过实测得到摆式转向架各关键零部件上疲劳薄弱部位动应力一时间历 程，再采用雨流计数法确定其应力谱。然后基于线性累积损伤理论及零件p s - n 曲线，运用名义应力法得到关于疲劳寿命的统计参数。再运用线性回归法找出其 寿命的分布规律。 在得到摆式转向架关键零部件的寿命分布规律后建立了摆式转向架的系统可 靠性模型。本论文中利用该模型，并运用蒙特卡洛法，借助科学运算语言m a t l a b 计算了给定寿命下摆式转向架的系统可靠度。为提高转k 4 、转k 5 型摆式转向架 的结构可靠性和运用可靠性提供基础的分析数据。 关键词：系统可靠性；疲劳寿命；蒙特卡洛法；摆式转向架 分类号：v 5 2 8 j b 塞銮亟盘堂亟堂僮逾塞垦墨i 基! a b s t r a c t a b s t r a c t ：i no r d e rt or e a l i z er a i l w a yt r a n s p o r th i g h - s p e e ds t r a t e g y , i t sn e c e s s a r yt o c h e c ko v e rr e l i a b i l i t yo f n e w - t y p e1 2 0 k m hf r e i g h tc a l b o g i e sa n dt h e i rp a r t s n e w - t y p e 1 2 0 k m hp e n d u l u mb o g i e sh a v ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya n de x c e l l e n to p e r a t i o nq u a l i t y t h e i rd y n a m i cp e r f o r m a n c ew a ss a t i s f i e dw i t hf r e i g h tc a rs p e e d i n g u pr e q u i r e m e n t t h e yc a ni n s t a l li n d i f f e r e n tt y p ev e h i c l e sa n du n d e r g oo p e r a t i o nt e s t b u ti t i s i n d i s p e n s a b l et 0c h e c kf u r t h e rt h e i rs t r u c t u r er e l i a b i l i t ya n do p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y s o m i n i s t r yo fr a i l w a y so r g a n i z e d1 2 0 k m hh i g h s p e e df r e i g h tc a rr e l i a b i l i t yt e s t i n h u a n x i n g x i a n i nt h ed i s s e r t a t i o n ，i tw a sr e s e a r c h e dt os y s t e mr e l i a b i l i t yo f p e n d u l u mb o g i e sk 4a n d k 5b a s e do nt h i st e s t f i r s t l y , b a s e do nm e a s u r i n gd y n a m i cs t r e s so f p e n d u l u r nb o g i e s p a r t sb y1 2 0 k m h r e l i a b i l i t yt e s t ，t h er a i n f l o wo fs t r e s sc o u n t i n gw a sd o n e a n dt h e nt h es t r e s ss p e c t r a w e r ed o n et h r o u g hs i m p l eg r o u p i n g ；s t a t i s t i c a lp a r a m e t e r sa b o u tf a t i g u el i f ew e r eg o tb y n o m i n a ls t r e s sm e t h o d ，b a s e do nl i n e a rc u m u l a t i v ed a m a g et h e o r ya n dp s - nc u r v e a c c o r d i n gt ol i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d , t h e i rl i f ed i s t r i b u t i o nr u l e s w e r ef o u n d s y s t e mr e l i a b i l i t ym o d e lw a se s t a b l i s h e da f t e rg e t t i n gl i f ed i s t r i b u t i o nr o l e so f c r i t i c a lp a r t so fb o g i e s t h ed i s s e r t a t i o n , t ou s et h em o d e l ，i nv i r t u eo fm a t l a b ， c a l c u l a t e ds y s t e mc o n f i d e n c el e v e la ts p e c i f i e dl i f eb ym o n t ec a r l om e t h o d k e y w o r d s ：s y s t e mr e l i a b i l i t y ：f a t i g u el i f e ；m o n t ec a r l om e t h o d ；p e n d u l u mb o s i c c 1 a s s n o ：v 5 2 8 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：喜穗： 导师签名翟 琢 签字日期：2 叫年f 月；o e l签字e l 期：硼6 年，月日 致谢 本论文的工作是在我的导师李强教授、王新锐副研究员的悉心指导下完成的， 李强教授、王新锐副研究员严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助 和影响。在此衷心感谢两年来李强老师、王新锐老师对我的关心和指导。 谢基隆教授、缪龙秀教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上 和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向谢基隆老师、缪龙秀老师表示衷 心的谢意。 王文静讲师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王冬同学，牛留斌同学、王斌杰博士等对我 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。 a 塞童适盘堂亟堂僮论 塞!i l壹 1 1 研究背景及意义 1 引言 为了适应我国国民经济迅速发展的需要，我国铁路自1 9 9 7 年起开始大提速， 主要铁路干线提速区段的最高运行速度已达到1 4 0 1 6 0k m h ，获得了良好的社会 效益和经济效益。今后我国铁路旅客运输还将进一步地全面提速。由于我国铁路 网基本上是客、货共线运输，随着客运速度的提高，要求货运速度相应提高，只 有客、货车运行速度合理匹配，才能提高铁路运输的整体经济效益，更好地发挥 铁路运输在我国国民经济发展中的作用。然而我国货物列车速度的总体水平仍然 还停留在“空7 重8 ”( 空车7 0 k m h 、重车8 0 k i n h ) 的水平上。货物列车的现状严 重制约了旅客列车速度的进一步提高，同时难以满足国家重点物资( 如电煤、木 材、粮食等) 快捷化运输的需求，因此货车提速势在必行。 近年来，我国铁路货车在技术装备上取得了很大的发展，先后研制开发了用 于2 1 吨轴重的敞、棚、平、罐通用货车上的转k 2 、转k 4 型新型1 2 0 k m h 转向 架；用于2 5 吨轴重运煤专用敞车及7 0 吨级敞、棚、平、罐通用货车上的转k 5 、 转k 6 型新型1 2 0 k m h 转向架【”。新型1 2 0 k m h 货车转向架的开发成功为第六次 大提速中货车提速1 2 0 k m h 和实现铁路跨越式发展提供了技术装备的支持。另一 方面，面对日益激烈的货运市场竞争，面对铁路跨越式发展的更高要求，我国货 车全面提速1 2 0 k m h ，就货车本身来讲还需做大量的工作。我国开行1 2 0 k m h 货 物列车尚在起步，行包快运货物列车运行速度也尚未完全达到1 2 0 k m h 的目标。 对新型车辆在1 2 0 k m h 速度下长时间运行的条件下可能发生的问题尚不清楚，在 现场运用条件和实际运行的操作方式下长时间、长距离以1 2 0 k m h 运行的可靠性 有待进一步考验。 多年的运用经验也表明，我国机车车辆在质量上存在许多问题，与国外相比， 在可靠性方面存在较大的差距，因此当前摆在我国机车车辆业面前紧迫而又关键 的任务是如何提高机车车辆的可靠性。多年来，有关制造部门、运用单位、科研 院所在提高可靠性方面做了不少工作，取得了明显成效。但是以前所进行的可靠 性方面的工作大多针对某些零部件的故障进行局部的改进，缺乏全面、系统的可 靠性工程的研究分析，难能将我国机车车辆的可靠性提高到一个新水平。因此大 力开展我国铁道机车车辆可靠性工程方面的工作十分必要。 2 0 0 3 年年中，铁道部决定在铁道科学研究院( 简称“铁科院”) 东郊环行线试 j e 塞銮亟太堂亟堂焦i 金塞 !i直 验基地( 简称“环行线”) 进行1 2 0 k m h 提速货车运行性能可靠性考核试验，第一 阶段环行线可靠性试验运行里程为18 万公里，第二阶段的可靠性试验将根据第一 阶段的试验情况确定，试验里程为1 8 万公里。通过试验，对货车车辆及关键零部 件的可靠性进行初步探讨，逐步建立并完善我国车辆可靠性试验的试验方法和规 范，为今后的车辆设计和生产提供借鉴和参考，并采取有效措施提高产品的可靠 性，保证行车安全。铁道部的这一决定无疑对提高铁路的竞争力和发展具有重大 的现实意义。 铁道机车车辆的可靠性与整个铁路系统密切相关。由于铁路运输是通过机车 车辆在钢轨上行驶来实现的，机车车辆的故障将会造成线路阻塞，给整个运输事 业带来巨大损失，因此应对机车车辆可靠性提出严格的要求。 1 2 机车车辆可靠性工程国内外发展状况 日本原国铁在2 0 世纪7 0 年代对新干线高速铁路及机车车辆大力开展了可靠 性工程方面的研究工作，以保证高速铁路运行的安全性和可靠性。1 9 8 0 1 9 8 2 年 问，该机构利用电力机车及动车在干线上发生的故障数据进行了威布尔解析分析， 并推测出电力机车和动车的可靠度，所得结论证明当时电力机车和动车的故障皆 处于初期故障和偶发故障阶段，因而为延长检修周期找出了依据。另外，他们还 根据可靠性工程理论和现场实际损坏数据来确定机车车辆主要零部件的寿命。日 本国铁还利用机车车辆监测系统和信息系统对发生的各种故障形式随走行公里或 运行时间的变化进行分析，分析结果可供可靠性设计时参考。 美国各大铁路公司广泛开展了可靠性工程的研究，例如美国联合太平洋铁路 公司建立了完善的可靠性信息系统，利用可靠性工程理论对数据进行处理分析， 从而使机车及其零部件的可靠性评价由定性分析提高到定量分析的阶段，并制订 出可靠性定量指标，通过全公司各个环节的努力来实现这个目标。 北美铁路协会研究试验部近年来一直从事机车可靠性问题的研究。根据运营 资料和铁路公司经验，影响美国机车可靠性的首要原因是牵引电动机故障，因而 a a r 通过数据分析和测试结果淘汰了一批检修工厂，并对其余检修工厂实行严格 质量控制，同时开发和制订了牵引电动机的可靠性试验程序，并且建立了一个机 车牵引电动机可靠性数据库，用以查明故障原因，分析可靠性问题，比较各种技 术维修程序和操作过程对可靠性的影响。美国机车车辆制造公司也应用可靠性技 术来提高机车车辆的可靠性，例如在提高内燃机车可靠性问题上，不只是通过对 薄弱零件的改进来解决，而且要将可靠性技术贯穿于内燃机车设计、制造、试验、 使用、维修和管理等各个环节，形成一个系统工程，只有这样才能使复杂、先进 2 j e 塞交道太堂砸堂僮i 金塞 !l 直 的大功率内燃机车系统真正达到高可靠性的目的。首先，在设计中除采用概率设 计方法，把影响应力和强度的各因素视为随机变量，运用可靠性理论保证所设计 的零部件具有规定的可靠度外，还要进行可靠性规划和设计。内燃机车可靠性设 计还要在性能、可靠性和费用等方面进行综合权衡，达到最优化设计。 德国联邦铁路对于机车车辆可靠性工程研究非常重视，在法兰克福设立了数 据处理中心，建立了可靠性数据库，对来自全路各机务段和修理工厂的数据进行 处理、分析和分布。特别重视对机车车辆故障的研究，不但对运行中的故障，而 且对机务段、车辆段和修理工厂在机车车辆拆卸和维修中发现的故障进行收集、 处理、分析和研究。 我国铁道部门多年来在提高机车车辆可靠性方面做了不少工作，取得了明显的 成效。设计制造部门针对机车车辆运用中暴露出来的问题和故障进行了大量的改 进；在机车车辆企业中推行了全面质量管理，加强了质量意识，产品质量逐年改 善。运用单位在机车车辆运用维修工作中积累了大量经验，运用维修质量和效率 不断提高。在修制改革方面也迈出了可喜的一步，延长了检修周期，修订了机车 车辆大修规程；各铁路局大力开展了计算机应用，开发了机车车辆维修管理信息 系统，如柳州局的“机车检修管理信息系统”；各机务段、车辆段、高校及科研院 所开展了机车车辆技术检测及诊断工作，如广州铁路公司开发的柴油机技术检测 系统，柴油机润滑油光谱、铁谱分析系统，机车电气、辅助传动、轮轴等技术检 测系统。铁道科学研究院对机车车辆可靠性工程的研究也取得初步成果，如铁科 院机车车辆所自1 9 9 2 年起开始进行“可靠性工程理论在机车车辆中应用”课题的 研究，取得了实用的结果【2 】；一些高校及科研单位开设了有关可靠性工程的课程和 培训班，并招收了相应的研究生，但我国铁道部门与国外相比，在可靠性工程领 域内还存在较大的差距，处于起步阶段，缺乏全面、系统的可靠性工程方面的规 划，研究和分析。 1 3 研究范围 货车提速的关键在于要有能适应提速运行需要的货车转向架。新型1 2 0 k m h 摆式转向架是一种技术先进、运行品质良好的转向架。其动力学性能可以满足我 国货车提速和新一代货车主型转向架的要求，可在不同车种上装车，并进行运用 考验。 摆式转向架的主要特点为 3 1 ： 1 结构上属于铸钢三大件式转向架，具有结构简单、车轮均载性好、检修维护 方便等优点。 j 京銮适友堂亟堂僮盈 塞lij直 2 采用了类似于客车转向架的摇动台摆式机构，使转向架横向具有两级刚度特 性，大大增加了车辆的横向柔性，提高了车辆的横向动力学性能，降低了轮轨间 的磨耗，提高了车辆的运行品质。 3 提高了车辆脱轨安全性 由于摆式转向架摇枕档位置下移，使侧滚中心降低，对侧滚振动控制加强， 有效地减小了爬轨和脱轨的可能性，尤其是对高重心的货车，大大提高了其脱轨 安全性。 4 该转向架具有高的耐久性和可靠性 经美国和加拿大运用实践表明，该转向架运用寿命长，维修工作量小，可运 营1 6 0 万公里免检修。 1 4 本论文主要研究工作 知道了产品寿命分布，对于预测产品的故障，确定检修周期，制定维修策略， 提高产品运用可靠性都具有重大的意义。建立系统可靠性模型在可靠性工程及可 靠性管理中具有重要作用。 本论文主要研究内容： l 摆式转向架各关键零部件的寿命分布拟合。 通过实测得到摆式转向架各关键零部件其薄弱部位动应力一时间历程，再采 用雨流计数法确定其应力谱。然后基于线性累积损伤理论及零件p s n 曲线，运 用名义应力法得到关于疲劳寿命的统计参数。再运用线性回归法找出其寿命的分 布规律。 2 摆式转向架各关键零部件的可靠性参数计算。 根据所得到的寿命分布规律计算指定寿命下摆式转向架各关键零部件的可靠 度。 3 摆式转向架系统可靠性模型的建立，其中包括可靠性框图和数学模型。 对于一个复杂系统来说，作为一个整体去分析其可靠性几乎是不可能的。一 个合乎逻辑的处理就是将系统按其功能分解成子系统和元件。这样的分解将形成 一个系统结构方框图。系统可靠性模型是将子系统及元件的可靠性有机地结合起 来，形成对系统可靠性的描述。 4 摆式转向架系统可靠度的评价 根据所建立的系统可靠性数学模型运用蒙特卡洛法并借助科学运算语言 m a t l a b 计算指定寿命下摆式转向架的系统可靠度。 4 i e 立銮适太堂亟堂僮监塞 2菹蕉蕴丝盐友这 2 1 引言 2 抗疲劳设计方法 疲劳与断裂是引起工程结构和构件失效的主要原因。据统计，约有5 0 一9 0 的机械结构破坏是由疲劳损伤引起的【4 1 。绝大多数的机械零部件，都是在变载荷下 工作。疲劳破坏是这些零部件的主要破坏形式。疲劳破坏与在静载荷下的失效有 本质的区别。静强度失效是由于在零部件的危险截面中，产生过大的残余变形或 最终断裂。而疲劳破坏是零部件高局部应力区在变应力作用下形成微裂纹，然后 发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展导致最终的疲劳破坏。在进入2 1 世纪的今天，人 们对传统强度( 静载荷作用、无缺陷材料的强度) 的认识已相当深刻，工程中强 度设计的实践经验和积累也十分丰富，对于传统强度的控制能力也大大增强，因 此，疲劳引起的失效在工程失效中越来越突出。了解现代研究成果，掌握疲劳的 基本概念、规律和方法，对于在工程实践中成功地进行抗疲劳设计是十分有益的。 下面将介绍有关疲劳的基本概念及理论方法。 2 2 $ - n 曲线5 】 疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数称为疲劳寿命。试样的疲劳寿命 取决于材料的力学性能和施加的应力水平。一般说来，材料的强度极限愈高，外 加的应力水平愈低，试样的疲劳寿命就愈长；反之，疲劳寿命就愈短。表示这种 外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料s - n 曲线。这种曲线 通常都是表示中值疲劳寿命与外加应力问的关系，所以也称为中值s - n 曲线。s n 曲线通常取最大应力盯或应力幅仃。为纵坐标，横坐标为疲劳寿命。通常都使用 对数坐标，而应力坐标可取线性坐标，也可取对数坐标。s - n 曲线的左段在双对数 坐标中一般是一条直线，在单对数坐标中一般不为直线，但由于用直线表示比较 简便，因此在单对数坐标中也常简化为直线。s n 曲线的右段有两种型式：图1 ( a ) 有一明显的水平区段，这是结构钢和钛合金的s n 曲线典型形式；图1 ( b ) 没有 水平区段，是有色金属和腐蚀疲劳s - n 曲线的典型形式。s - n 曲线的左段有时也 会出现断开( 见图1 ( c ) ) 和转折( 见图l ( d ) ) 。断开可能是由于裂纹尖端由平 面应力状态转变为平面应变状态和由穿晶破坏转变为晶间破坏等原因所引起。转 折点则往往是不同破坏区域的交界点，如循环蠕变与低周疲劳的交界点，低周疲 劳与高周疲劳的交界点等。 韭立窑望盔堂亟堂焦堡塞2毽瘥蕴遘盐左造 图1 材料s - n 曲线的主要型式 f i 9 1 m a i nt y p eo f m a t e r i a ls - nc u r v e s n 曲线的左段，常用下面的表达式： 盯“n = c ( 2 1 ) 式中的m 和c 为材料常数。 将上式两边取对数得， m l g 口+ l g n = l g c( 2 - 2 ) 可见，s - n 曲线的左段在双对数坐标上是直线，i m 为s n 曲线的负斜率。 在中、长寿命区( n 1 0 ) ，s - n 曲线还可以使用下面的三参数幂函数公式来 统一表达： n ( o r a ) “= d ( 2 - 3 ) 式中：a 一无限寿命时的疲劳极限，在对称循环下即疋h 。； m ，斜率参数； d 一常数。 2 3p - s - n 曲线【6 】 由于疲劳试验数据的离散性，试样的疲劳寿命与应力水平间并不是一一对应 的单值关系，而是与存活率p 有密切关系。在利用对数正态分布或威布尔分布求 出不同应力水平下的s - n 曲线以后( 见图2 ) ，将不同存活率下的数据点分别相连， 即可得出一族s n 曲线，其中每一条曲线分别代表不同存活率p 下的应力一寿命 曲线，称为p - s - n 曲线。在进行疲劳强度设计时，可根据所需的存活率p ，利用与 6 a b 复銮垣丕堂亟主堂焦迨塞 2遗毽蕴邀过友选 其对应的s - n 曲线进行。因此，p s - n 曲线代表了更全面的应力一寿命关系，比 s - n 曲线有更广泛的用途。图中，p ：o 9 9 、0 9 0 、0 2 0 、0 0 1 分别代表存活率为9 9 、 9 0 、2 0 和1 。对于典型的机械零件，用存活率9 9 的s _ n 曲线作为设计的 基准就可以了( 表示每一百个零件中有一个零部件发生) ，但对客货车的某些零部 件，有时还需要用9 9 9 可靠度，航天、航空的某些零部件有时要达到四个九，即 可靠度为9 9 9 9 。 2 4 疲劳极限 l g 0 l 蠲 图2 p s - n 曲线示例 f i 9 2 p s - nc u r v ed e m o n s t r a t i o n 对于结构钢和钛合金等s - n 曲线有水平区段的材料，与此水平区段相应的应 力称为材料疲劳极限。在s - n 曲线上，非水平区段对应的应力称为条件疲劳极限。 材料疲劳极限随加载方式和应力比的不同而异。因为决定材料强度的是应力 幅盯。，所以一般都以对称循环( 应力比r = - i ) 下的疲劳极限作为材料的基本疲劳 极限。材料的对称弯曲疲劳极限用盯，表示，对称拉压疲劳极限用盯- 表示，对 称扭转疲劳极限用f 一表示。又因三者中以对称弯曲疲劳试验最为方便，所以一般 都以对称弯曲疲劳极限来表征材料的基本疲劳性能【”。 在室温和空气介质下，材料疲劳极限盯一。与抗拉强度盯之间有较好的相关性。 因此，当缺乏现成的试验数据、且没有条件进行疲劳试验时，可以由仃。近似估算 盯一l 。 前苏联学者茹科夫根据他对大量试验数据的统计处理，对盯 盯。 曲线b ： n ( 盯) “= c 。 曲线c ： i n ( a c r ) “= g盯 a c t o 【n ( a 2 ”一= c ： 盯- 。 式申为a 0 尺度参数；b 0 为形状参数：c 为正规化常数。 转k 4 型转向架侧架疲劳寿命n 与存活率p 关系如表1 2 所示 表1 2 转k 4 型转向架侧架疲劳寿命与存活率关系 | 存活率p ( r ( x ) ) 5 09 0 9 5 9 99 9 9 i 疲劳寿命n ( 工) 1 4 0 8 89 0 2 56 5 1 14 7 3 4 5 3 2 2 6 9 假设转k 4 型转向架侧架疲劳寿命分布类型为两参数截尾威布尔分布，则采用 线性回归法拟合得到 a = 2 6 2 4 e 8 ，b = 2 3 4 ，c = 0 0 0 9 7 6 6 ，此时可决系数r 2 = 0 9 4 6 3 5 侧架寿命分布曲线如图9 ： 图9 转k 4 型转向架侧架寿命分布( 威布尔分布) 曲线 f i 9 9 l i f ed i s t r i b u t i o nc u r v e ( w e i b u l ) o f k 4b o g i es i d ef r a m e 线性回归效果的显著性检验( 采用r 检验法) 1 2 0 1 对于n = 8 ，口= o 0 5 ，查相关系数临界值r 表得r 。，= 0 ，7 0 6 7 0 9 7 3 = r 。 根据r 检验法可知，y 与z 的线性回归效果显著。转k 4 型转向架侧架疲劳寿 命分布类型为两参数截尾威布尔分布的假设成立。 可决系数r 2 是用来检验模型是否恰当的指标，值1 0 0 r 2 ( 2 1 】型所描述的数据 韭夏窑适太堂亟堂僮丝塞堡嚣整囱鍪苤毽墨嫠往痤蕴壹佥亟型 变化率的百分比，该值越接近1 0 0 ，模型越有效。r 成为相关系数。 因此分析可知，转k 4 型转向架侧架疲劳寿命服从两参数截尾威布尔分布 弛) - a 。b x b - ie x p ( 一)