（光学工程专业论文）提速货车转向架关键部件疲劳寿命及可靠性研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：铁路货车转向架在提速工况下的疲劳寿命和可靠性是货车提速最为关注 的课题之一。转8 a g 是在原转8 a 型转向架基础上加装交叉杆改造而成的提速 转向架，摇枕、侧架是三大件式货车转向架的基本组成部分，在运用中承受随 机载荷。 本文综合有限元静态分析、运用数据调研、结构分析确定摇枕、侧架的疲 劳控制点，分析了动应力测试的数据采集和处理方法；依据转8 g ( a g ) 摇枕、 侧架剩余寿命试验，对采集到的数据进行数据处理编制应力谱；根据应力谱计 算产生的损伤，按照m i n e r 法则对转8 a g 摇枕、侧架在提速工况下的疲劳寿命 进行估算，并对其疲劳寿命的可靠性的主要影响因素一应力分布进行统计推断。 本文对可靠性研究在我国铁路货车车辆设计和运用管理中的应用作了展 望，结合货车转向架大部件寿命管理提出建议。 关键词：转向架，疲劳寿命，可靠性，寿命管理 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ef a t i g u el i f ca n dr e l i a b i l i t yo fr a p i df r e i g h ic a r sb o g i ei so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tp r o b l e m si nr a i l w a ys p e e d - u pp r o g r e s s b o g i e8 a gi sr e m o l d e df r o m b o g i e8 ab ya s s e m b l e dw i t hc r o s s i n g b a r b l a s t e ra n db o g i ef r a m e ，w h i c he n d u r e r a n d o m1 0 a d s a r et h ek e yp a r t si nb o 西e s t h i sp a p e rc o n c l u d e dt h ek e yp o i n t so fb l a s t e ra n db o g i ef r a m e r e p r e s e n tt h e f a t i g u el i v e so f b l a s t e ra n db o g i ef r a m eo nt h eb a s i so fs y n t h e s i z e da n a l y s i so ns t a t i c f e a 、i n v e s t i g a t i o no fp r a c t i c a ld a t aa n da n a l y s i so fc o n s t i t u t i o n t h ew a yo fs t r e s s t e s t i n ga n dd a t ap r o c e s s i n gw a sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a t i o no f r e s i d u a lf a t i g u el i f eo fb o g i e8 af a g l ，d e a l tw i t ht h ed a t aa n dc o m p i l e ds t r e s s s p e c t r u m ，t h ed a m a g e - r a t er e s u l t e dw a sc a l c u l a t e db yt h es t r e s ss 口e c t r u m a c c o r d i n g t om i n e rr u l e ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e dt h ef a t i g u el i f eo f t h eb o g i ei ns p e e d u pc o n d i t i o n ， s e tu df a t i g u e1 i f ea n dr e l i a b i l i t ym o d e lb a s t e do ns t a t i s t i c a lm i n e rr u l ea n d a c c u m u l a t i n gd a m a g e r a t er u l ei nl o n g 1 i f er e g i o n t h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s si n b l a s t e ra n ds i d ef r a r n ew h i l ea p p l i c a t i o nw a sd e d u c e d i nc o n c l u s i o n ，t h i sp a p e rl o o k e df o r w a r dt h ea p p l i c a t i o no f r e l i a b i l i t yi nd e s i g n a n da p p l i c a t i o no fn a t i o n a lr a i l w a yf r e i g h tc a r s ，a n dt h e ng a v ea d v i c e sc o m b i n e d w i t hl i f em a n a g e m e n tf o rb i gp a r t so f b o g i e k e y w o r d s ：b o g i e ；f a t i g u el i f e ；r e l i a b i l i t y ；l i f em a n a g e m e n t ； 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：彰p 趸z 导师签名：趴毯p n 签字日期：j 椰年，1 月抽日 签字日期：h o 年，1 月州日 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，刘老师严谨的治学 态度和启发式的教学方法给了我极大的帮助和影响。刘老师宽广的胸怀，谦和 的为人以及对工作勤勤恳恳的作风，都使我受益匪浅，同时在学习、生活等各 方面也给予我很大的帮助。在此衷心感谢两年多来刘老师对我的关心和指导。 在本论文完成过程中，得到了缪龙秀教授、李强教授、谢基龙教授以及试 验室其他老师的帮助和指导，他们对本人的论文提出了很多指导和建议。在此 向他们表示由衷的感谢! 此外，还得到了王斌杰博士以及李仁同学、卢立丽同学、牛留斌同学和其 他同学的帮助。向他们表示诚挚的感谢! 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 、i k 。 北京交通大学硕士学位论文概述 1 概述 1 1 选题的背景和工程意义 铁路运输是适合我国国情的主要运输方式，在国民经济中发挥着重要作 用。货物列车重载、高速是我国铁路既定的发展方向和目标“3 。转向架是引导 车辆沿钢轨运行、承受来自车体及线路的各种载荷和作用力、保证车体运行品 质的关键部件。1 。 为了适应货车提速的要求，齐齐哈尔车辆厂在我国货车原主型转向架转8 、 转8 a 的基础上进行了改造，研制生产了提速转向架转8 g 、转s a g 。转8 g 、转 s a g 仍采用摇枕、侧架三大件式结构，加装了侧架下交叉杆。其中转8 a g 型转 向架借用了转8 a 型的侧架、摇枕；转8 g 型转向架采用了新设计的、增大了强 度和刚度的转8 g 侧架。经提速试验结果表明，转8 g ( s a g ) 型转向架能满足运 行速度l o o k m h 的要求，满足了当时提出的主要干线货物列车运行速度达到 9 0 胁h l o o k m h 的要求。2 0 0 1 年开始大量生产，共生产装车6 万辆左右。后来 随着铁路货车提速的发展，铁道部在新的铁路主要技术政策中提出普通货 物列车运行速度提高到1 2 0 k m h 的目标。为了适应提速新要求，需要对在役 的转8 g 、转8 a g 转向架进行1 2 0 k m h 提速后摇枕、侧架在新的提速工况下疲劳 寿命进行研究。 货车车体的自重、载重和整备重量通过下心盘传递到摇枕上再经由弹簧传 递到侧架最后经承载鞍传递到轮对，在车辆运行中，轨道的激扰也会通过轮对 传递到侧架和摇枕上。1 。所以摇枕和侧架都是车辆重要的承载装置，在运用中 承受随机的变载荷，确保其使用安全对铁路运输生产安全具有非常重要的意义。 铁道部提出对转向架大部件实行寿命管理，因此研究其疲劳寿命是必要的。 1 2 结构疲劳研究的发展吲小5 1 材料在变应力或变应变作用下，某点或某些点产生了逐渐的永久结构变化， 导致在一定的循环次数后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。在工程实际中， 外载荷很少是静态的，重复作用的载荷，它所造成的应力水平，虽然远远低于强 度极限和屈服极限，却会引起意料不到的突然的破坏。1 9 世纪初叶，随着蒸气机 北京交通大学硕士学位论文 和机动运载工具的发展以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生，破 坏往往发生在零件及构件的截面突变处。破坏处的名义应力不高，低于强度极限， 有时还低于屈服极限。1 8 2 9 年，德国人a l b e r t ( 阿尔培特) 用矿山卷扬机和焊接链 条进行的疲劳试验阐明了破坏发生的原因。1 8 3 9 年法国工程师j v p o n c e l e t ( 彭 西列特) 首先采用了“疲劳”这一术语，用以描述材料在交变载荷下承受能力逐 渐耗尽以至最终断裂的破坏现象。1 8 4 2 年h o o d ( 虎特) 提出了疲劳的“结晶”理论， 认为金属强度在重复应力作用下的降低是振动引起的“结晶化”所致。 德国人a w oh l e r ( 沃特) ，他自1 8 4 7 年起，在担任机车车辆厂厂长和机械厂 厂长的2 3 年中，对金属疲劳进行深入系统的研究。他于1 8 5 0 年设计出了第一台疲 劳试验机( 亦称w o h l e r 疲劳试验机) ，用来进行机车车轴的疲劳试验。以后，他又 研制出许多种型式的疲劳试验机，并首次用金属试样进行了疲劳试验。他于1 8 7 1 年发表的论文中，系统论述了疲劳寿命与循环应力的关系，提出了s - n 曲线和疲 劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。 从1 9 世纪7 0 年代到9 0 年代，w g er b e r ( 戈培尔) 研究了平均应力对疲劳强 度的影响，提出了g e r b e r 抛物线方程。英国人g o o d m a n ( 古德曼) 提出了著名的简 化曲线一g o o d m a n 图。1 8 8 4 年j b au s c h i n g e r ( 包辛格) 在验证u w a t c r 的疲劳试验 时，发现在循环载荷下弹性极限降低的“循环软化”现象、引入了应力一应变滞 后回线的概念。2 0 世纪初，开始用金相显微镜来研究疲劳机制。j a e w i n g 和 j c w h m f r e y l 9 0 3 年在单晶铝和多晶铁上发现了循环应力产生的滑移痕迹。他 们通过微观研究推翻了老的结晶化理论，提出了疲劳变形是由于与单调变形相似 的滑移所产生。 1 9 2 9 年，美国人r e p e t e r s o n ( 皮特逊) 对尺寸效应进行了一系列试验并提 出了应力集中系数的理论值。1 9 2 9 年n 1 9 3 0 年，英国人b p h a i g h ( 海夫) 对高强 度钢和软钢的不同疲劳缺口效应作了合理的解释。他在解释疲劳缺口效应时，使 用了缺口应变分析和内应力概念。1 9 3 8 年，n e u b e r ( 诺埃伯) 引入了应力梯的概念， 并指出了决定缺口疲劳强度的是缺口根部表面层中应力平均值，而非缺口根部的 最大应力。1 9 4 5 年，美国人m a m i n e r ( 迈因纳) 在对疲劳累积损伤问题进行大量 试验研究的基础上，将a p a l m g r e n ( 帕尔姆格伦) 1 9 2 4 年提出的线性累积损伤理论 公式化，形成t p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤法则，此法则至今仍在广泛应用。 1 9 5 2 年，美国航空和航天管理局( n a s a ) 刘易斯研究所的s s m a n s o n ( 曼森) 和l f c o f f i n ( 柯芬) 在大量试验的基础上提出了表达塑性应变和疲劳寿命间关 系的m a n s o n - c o f f i n 方程，奠定了低周疲劳的基础。1 9 6 1 年，n e u b e r 开始用局部 应力应变法研究疲劳寿命。提出了n e u b e r 法则。1 9 6 3 年，美国人p c p a r i s ( 帕 里思) 在断裂力学的基础上，提出了表达裂纹扩展敝车车体疲劳寿命与可靠性研 2 北京交通大学硕士学位论文 究扩展规律的著名关系式一p a r i s 公式，给疲劳研究提供了一个估算裂纹扩展寿 命的新方法，在此基础上发展了损伤容限设计，从而使断裂力学和疲劳这两门学 科逐渐结合起来，6 0 年代还开始将统计学用于疲劳试验和疲劳设计。1 9 7 1 年，r m w e t z e l ( 威兹) 在m a n s o n - c o f f i n 方程的基础上，提出了根据应力一应变分析估 算疲劳寿命的一整套方法一局部应力应变分析法。1 9 7 9 年，可靠性理论和损伤 容限设计在疲劳设计中应用起来。 现在，在微观机理方面，对疲劳裂纹的萌生与扩展机制已经有了比较清楚的 了解。在疲劳试验方面，己经广泛使用概率统计方法来进行试验设计及数据处理。 在疲劳设计方面已经提出了四种疲劳设计方法，即：名义应力疲劳设计法、局部 应力应变法、损伤容限设计法、疲劳可靠性设计法。 1 3 结构可靠性研究的发展及应用哺7 印 可靠性指产品( 泛指零部件、结构和设备等) 在规定的寿命期间内在规定的工 作条件下能够执行规定功能的能力。早期，人们对“可靠性”的理解仅仅从定性 方面，没有数值量度。但为了更好地表达可靠性的准确含义，不能只从定性方面 来评价它，而应有定量的尺度来衡量它。二次世界大战后期，德国火箭专家 r l u s s e r 首先提出用概率乘积法则，将系统的可靠度看成是各子系统可靠度的 乘积，从而算得v - 2 型火箭装置的可靠度为7 5 ，首次定量地表达了产品的可靠度。 到5 0 年代初期，可靠性的测定中更多地引进了统计方法和概率的概念以后，定量 的可靠性才得到广泛应用，可靠性问题才作为- - i 新的科学被系统地加以研究。 美国对于可靠性的研究，始于6 0 年代初期，当时在航天方面由于机械故障引 起的事故多、损失大。于是美国宇航局从1 9 6 5 年开始进行机械可靠性研究。日本 1 9 5 6 年由美国引进可靠性技术，1 9 5 8 年成立了专门的可靠性委员会，将可靠性技 术推广并应用到民用工业部门取得很大成功，大大提高了其产品的可靠度，使其 高可靠性的产品畅销全世界，带来了巨大的经济效益。欧洲和前苏联也于十九世 纪五、六十年代开始了可靠性方面的研究。国际电子工业委员会( i e c ) 于1 9 6 5 年成立了可靠性技术委员会，1 9 7 7 年又改名为可靠性与维修性技术委员会，协调 可靠性方面的定义、用语、书写方法、可靠性管理、数据收集等方面。6 0 年代以 来，空问科学和宇航技术的发展提高了可靠性的研究水平，扩展了其研究范围。 对可靠性的研究已由电子、航空、宇航、核能等尖端工业部门扩展到电机与电力 系统、机械、动力、土木等一般工业部门，扩展到工业产品的各个领域。 当今提高产品的可靠性已成为提高产品质量的关键，现代生产中，可靠性技 术已贯穿到产品的研制、开发、设计、制造、试验、使用、运输、保管及维修保 北京交通大学硕士学位论文 概述 养等各个环节。货车转向架大部件摇枕、侧架由于制造质量、表面加工质量的差 异，加之在运用中承受载荷的随机性，以及腐蚀、维修、使用等各种因素的不同， 其寿命呈现随机性，因此，有必要用统计的方法，把这些不确定因素作为随机变 量，对其可靠性加以研究，得出其寿命分布，为其寿命管理提供依据。 1 4 本论文的研究内容 1 确定摇枕、侧架的疲劳控制点。 根据静态有限元分析确定摇枕、侧架的大应力部位，得到静态控制点；通 过运用数据的分析确定疲劳裂纹多发部位，得到运用控制点；对摇枕、侧架结 构进行分析确定应力集中部位和疲劳断裂危险部位，得到结构控制点。结合以 上三个方面的分析，确定疲劳控制点。 2 动应力测试数据处理。 对装用转8 a g 转向架进行线路提速试验动应力测试和数据处理：应变数据 转换为应力数据；应力数据去零漂；低通数字滤波；小波处理：挑选峰谷值处 理：数据雨流计数；编制8 级应力谱。 3 摇枕、侧架疲劳寿命估算。 根据应力谱，以材料的s 一曲线和线性累积损伤法则，考虑平均应力和 表面加工质量的影响，对摇枕、侧架大应力部位疲劳损伤进行计算。以疲劳损 伤最大点的损伤值，利用m i n e r 准则，估算摇枕、侧架的疲劳寿命。 4 摇枕、侧架动应力分布的确定。 机械零、部件的疲劳寿命是随机变量，疲劳强度和应力是疲劳设计的主要 依据，零件的疲劳强度受很多随机因素的影响。本文以摇枕、侧架疲劳损伤最 大点的应力谱为样本，首先用直方图推断分布函数，再用极大似然法对分布参 数进行点估计，最后用z 2 检验对母体分布函数进行检验。 北京交通大学硕士学位论文摇枕侧架应力测量与分析 2 摇枕侧架应力测量与分析 2 1 摇枕侧架疲劳控制点确定 正确确定摇枕侧架上的疲劳控制部位是疲劳寿命分析的关键环节之一。所 谓疲劳控制部位，就是容易出现疲劳裂纹并导致整个部件疲劳失效的部位，该 部位的寿命代表了构架的总体寿命“”。由于摇枕、侧架的结构形式和受力情况 比较复杂，如何使有限的动应力测点能较准确地代表摇枕、侧架上的大应力部 位，特别是疲劳控制部位，这是确定各种转向架构架动应力布片方案时首先要 解决的问题。本文主要通过有限元静态分析、结构分析和运用情况调查来确定 疲劳控制部位。 2 1 1 静态有限元分析咖 转8 a g 借用原转8 a 摇枕、侧架，对于转8 a 部件的有限元分析，以往的文 献已有很多研究。本文参考以往的研究结论对大应力部位进行分析。采用三维 实体建模，十节点四面体单元进行有限元分析，载荷作用的大小、位置、方式 参照t b l 3 3 5 - 7 8 “铁道车辆强度设计及试验鉴定规范”。计算结果如表2 1 和表 2 2 所示。 表2 1 转8 a 侧架有限元计算结果 t a b2 1f e ac a l c u l a t i o no fb o g i e8 af r a m e 应力位置计算应力值( m p a ) 轴箱拐角处 1 4 1 6 承台拐角处 1 2 2 0 上弦板中央断面 - 6 3 0 下弦板中央断面 9 1 4 下弦杆断面l l o 立柱下部 2 0 2 北京交通大学硕士学位论文摇枕侧架应力测量与分析 表2 2 转8 a 摇枕有限元计算结果 t a b2 2f e ac a l c u l a t i o no fb o g i e8 ab l a s t e r 应力位置计算应力值( m p a ) 中央断面开孑l 处 6 5 8 心盘边缘 9 3 o 排水孔处心盘端 4 9 4 排水孔处旁承端 6 5 8 旁承断面突变处 7 0 5 由表2 1 可见：侧架大应力部位是轴箱拐角处、承台拐角处、上弦板中央断 面、下弦板中央断面、下弦杆断面。 由表2 2 可见摇枕大应力部位是心盘边缘、旁承断面突变处、中央断面开 孔处、排水孔处。以上大应力点就是静态关注点。 2 1 2 运用情况调查分析 摇枕、侧架在现场运用中出现裂纹导致更换或报废，这些裂纹出现的部位 就成为运用关注点。为此，调研查阅了9 9 年北京铁路局丰台车辆段发现的侧架 裂纹故障，和9 9 年及2 0 0 0 年该段发现的摇枕裂纹故障。侧架裂纹情况统计如 下表： 表2 3 京局丰段9 9 年发现侧架裂纹统计表 t a b2 3c r a c k so nf r a m e 故障侧架上 弹簧导框导框内导框外滑槽滑槽突起锥弹簧 部位平面圆脐承台弯角弯角处下挡体上部承台 出现 1l9 4l1l3 1 9 2 次数 由上表可见：侧架裂纹出现最多的地方是导框承台，占7 6 4 ；突起锥体 上部占1 5 4 。同时，在弹簧承台、导框内弯角、导框外弯角、侧架上平面、 滑槽下挡、滑槽处、弹簧圆脐、侧架上平面也发现裂纹。 以这些数据为依据，以上部位尤其是导框承台和突起锥体上部就是运用关 注点。 摇枕裂纹情况统计如下表： 6 北京交通火学硕士学位论文摇枕侧架应力测量与分析 表2 4 京局丰段9 9 年、2 0 0 0 年发现摇枕裂纹统计表 t a b 2 4c r a c k so nb l a s t e r 故障部八字面幅板排水孔头部内下工艺 心盘心盘安 位腔孔装面 出现次 2l278l2 数 分析上表，摇枕裂纹发生在八字面、幅板、排水孔、头部内腔、下工艺孔、 心盘、心盘安装面处。其中发生在头部内腔的裂纹占总裂纹数的2 8 o ；发生 在下工艺孔的裂纹占总裂纹数的3 2 0 ，是摇枕裂纹多发部位。 依据以上数据分析，八字面、幅板、排水孔、头部内腔、下工艺孔、心盘、 心盘安装面，尤其是头部内腔和下工艺孔就是摇枕的运用关注点。 2 1 3 结构与承载分析 摇枕在运用中承受的载荷主要是垂直、纵向和水平扭转。 垂直载荷是作用于摇枕的主载荷，是由车辆和装载货物的重量引起的，由 车体通过心盘传递到摇枕，但车体在运行中通过曲线或发生侧滚时一部分载荷 会通过一侧的旁承传递，由于摇枕是由两端的弹簧承台通过枕簧支撑在侧架上， 所以弹簧承台受向上的垂直载荷。 纵向载荷作用在摇枕一上心盘之间的界面上和摇枕与侧架立柱装配的侧面 上，是由制动和转向架减速的惯性引起的。当空车在高速下与静止的车列连挂 时，在碰撞状态下将产生最严重的纵向力。 水平扭转是作用于端部的在水平面内的力矩，是由于通过曲线时侧架有相 对于摇枕转动产生菱形变形趋势引起的，对于提速转向架由于加装了交叉杆， 提高了抗菱形变形刚度，这种水平扭转力矩相对减小o ”。 就承受载荷来分析，摇枕垂直中线和旁承安装座承受较大的垂向力，容易 产生较大的应力。从结构来分析摇枕两侧落沙孔由于工艺原因，比较容易产生 较大的应力集中。摇枕两端的弹簧承台承受较大的集中力，在弹簧承台拐角处 容易产生较大的应力集中。从整个摇枕来看，如果在摇枕下部产生裂纹，则由 于受力方向的原因，裂纹将主要受使它张开的拉应力，有利于裂纹的扩展。从 动应力测试的角度来说，应变片粘贴在摇枕下部也更容易实现。因此，选择摇 枕下部排水孔周围、落沙孔周围、弹簧承台拐角处作为应力薄弱环节是合理的。 7 北京交通大学硕士学位论文 摇枕侧架应力测量与分析 侧架在运用中承受垂向、横向、水平扭转和纵向载荷。 垂直载荷作用在弹簧承台和与承载鞍接触的导框承台接触面上，与摇枕相 比，侧架承受着更大的冲击载荷( 例如，由道岔或车轮踏面擦伤引起的) ，因为 对侧架来说没有弹簧悬挂来隔离这些冲击。 侧架承受的横向载荷作用在侧架立柱和承载鞍之间，是由来自车体的载荷 引起的，例如由作用在车体上的牵引力的角度造成的，或者由曲线超高与速度 不匹配造成的。它也伴随着通过曲线时保持转向架正位的转向架内力而出现。 侧架的水平扭转载荷是对摇枕水平扭转载荷的反作用，表现为由摇枕作用 于侧架立柱的力矩。 侧架的纵向载荷作用在侧架立柱与轴箱导框之间，除了在严重的载荷作用 下( 如车辆的高速碰撞) 以外，这一载荷是比较小的一个。 分析侧架承受载荷情况，从摇枕传递来的车体和装载货物的重量引起的垂 向载荷是侧架承受的主要载荷，车辆在线路上运行也会产生垂向振动。这些垂 向力集中作用在侧架的弹簧承台上，而轮对滚子轴承通过承载鞍，又把反作用 力集中加在侧架两侧的导框上。因此，弹簧承台的弯角处和导框的内、外弯角 是应力集中比较严重的地方。 根据以上对摇枕、侧架疲劳控制部位的的分析，验证了在摇枕、侧架上布 置以下动应力测点，可以覆盖疲劳控制部位。如图所示： 图2 1 侧架动应力测试测点布置图 f i g 2 1t e s t i n gs p o t so i lf r a m e 北京交通大学硕士学位论文摇枕侧架应力测量与分析 表2 5 侧架动应力测点部位 t a b 2 5t e s t i n gs p o t so nf r a m e 测点号 测试部位 3 5侧架 弹簧承台右弯角 3 6 c 区 弹簧承台左弯角 3 3 轴箱导框右内弯角 侧架 3 7 轴箱导框左内弯角 a 区 3 4轴箱导框右外弯角 3 8轴箱导框左外弯角 表2 6 摇枕动应力测点部位 t a b 2 6t e s t i n gs p o t so nb l a s t e r 测点号测试部位 2 5 摇枕右端弹簧承台拐角处 2 6 2 7 2 8 摇枕右下部落砂孔周围 2 9 3 2 3 0 摇枕下方排水孔凸台边 3 l 北京交通大学硕士学位论文 摇枕侧架应力测量与分析 3 1 3 0 2 8 2 7 图2 2 摇枕动应力测点图 f i g 2 2t e s t i n gs p o t so nb l a s t e r 2 2 动应力测量与数据处理方法 工程实际中解决机械零、部件和机械结构的动强度，分析其受力情况及 可靠性，需要确定应力或应变的分布。解决这种情况一般有两种方法：一是用 弹性力学或机械动力学理论的方法进行计算，但这只适用于几何形状和受力情 况都比较简单的问题。另一种方法是用应变测试技术进行测定。铁道车辆转向 架的摇枕、侧架结构比较复杂，而且在运用中承受随机载荷，受力情况也比较 复杂，因此，采用应变测量技术测量其应力、应变是一种比较适合的方法。 2 2 1 应力数据测量方法与设备”1 电阻应变测量就是将应变量转化为电阻、电压、电流等电量来进行测量。 再通过直接或间接的计算、标定得到应变和应力。电阻应变测量是非电量电测 法的一种，具有连续、多点和长距离控制的优越性，而且测量精度高、响应灵 敏度高，对于机械参量有很大的测量范围。 某些金属材料的电阻会随其形状的变化而发生改变，这是金属材料的物理 性质。例如，有一圆截面导线，其初始电阻为 1 0 北京交通大学硕士学位论文摇枕侧架应力测量与分析 r = p 砉 悟- ， 式中，p 为金属材料的电阻率；l 为导线长度；a 为导向截面积。 若导线受轴向拉力，则其长度的变化率即应变为s = 丝l 。 对( 2 - 1 ) 式取对数并微分得 塑r = 鲁+ 警一坐a ( 2 2 ) 口l 设直径由d 变为d ( 口为金属材料的泊松比) ，贝f j d f _ d ( 1 一s ) 烈= 三p 2 ( ，一胪) 2 一。2 】= 一譬z 占 所以 坐：- 2 眦 爿 警= 警+ 占( 1 伽) ( 2 _ 3 ) 定义 耻警忙( 1 脚) + 警占 则为金属材料的灵敏度系数，称为单位应变的电阻变化率。a 万r = 惋占表 示金属线材的电阻变化率和轴向应变之间的关系。 测量时应变片通过黏合剂粘贴在试件表面，当应变片工作的时候要求应变 片线材的变形和试件变形完全一致。 常见的应变片标距通常在2 - 3 0 r a m ；电阻以1 2 0 欧的最为常见，绝缘电阻 一般应在2 0 兆欧以上；灵敏度系数1 3 0 - 3 5 0 。“” 动应变测量多选用箔式敏感珊，对于室外动态测量多选用胶基支持片。对 于非全桥钡4 量由于四个电阻不全是应变片所以应该选电阻r = 1 2 0 欧姆，灵敏度 系数k 。接近于2 0 左右。因为在应变仪里输出一般都设置为2 0 。对于k o 不等 于2 0 的应按照下式进行修正： 2 o 占交际5 i ”测量 对于材质较密的金属材料应选择标距( 敏感珊的有效长度) 小一些的“”。 北京交通大学硕士学位论文 摇枕侧架应力测量与分析 把电阻应变片的电阻变化转换为电压或电流的变化通常利用惠斯登电桥 来完成。惠斯登直流电桥如图所示 图2 3 电桥 f i g 2 3b r i d g e 由图可见，电桥的输出 卟百u 百a r i 一等+ 等一等) a ， 若4 个应交片灵敏度鼠相同则 u 。= u ( k o c 。一岛占：+ 民，一民。) = _ k o - u 够i - - 9 2 + 岛一占。) 在实际测量中，常根据需要接成四分之一桥、半桥、全桥。当接成半桥时， 经常在邻近的与测试件同材料的小块上贴上相同的应变片作为补偿片，接在与 工作片相邻的桥臂上，这样当环境温度有变化时，可以作为温度补偿。设r 为 贴在测试件上的工作片，r ，为补偿片，如果测试件由于受载发生应变为，则 当温度变化应起工作片上的测量误差为s 时，补偿片上也将产生相同的s ，则 测量输出 以= 等( c + c - - 8 ) = k 4 0 _ 型u s ( 2 - 5 ) 可见由于补偿片的存在，可以消除应变片由于温度变化应起的测量误差。 应变测量的常用仪器是应变仪。应变仪有静态、动态；直流、交流；模拟、 数字等不同类型。无论哪种类型，一般都由电桥盒、输入电路、放大器、输出 电路、以及一些输出显示和记录设备构成“。 现在动应力测量使用的都是数字式动态应变仪，内部可以完成模数转换， 2 北京交通大学硕士学位论文摇枕侧架应力测量与分析 还可以根掘需要选用适当的采样频率进行采样。应变片的应变量引起的电阻变 化通过电桥以电压或电流的变化量输出，通过应变仪内部的计算电路，再以应 变量输出。 2 2 2 应力数据处理方法 应变仪输出的应变数据根据被测试件材料的不同，由虎克定理6 = e s ， 乘以不同材料的弹性模量就得到应力数据。 在动应力测量过程中，由于系统内部和外界干扰噪声信号的影响，虽然采 取了诸如对测量信号线屏蔽、电源接地等措施，由应变仪测量直接得到的数据 仍然会有一些干扰信号存在。这些干扰信号叠加在有效信号上会造成有效信号 失真。因此，需要对采集记录的信号进行处理，最大限度地消除混入数据中的 干扰信号，以保证采集数据的精度。 以本论文研究的转8 g 和转8 a g 疲劳试验动应力测试数据为例数据处理过 程如图所示： 数字滤波 i 动应力数据卜_ 叶 小波处理 - 一应力谱编制i 峰谷值挑选 2 2 2 1 应力信号的数字滤波 由于真实信号的频带可知是确定的，而干扰信号有各种各样的频率，利用 经典滤波器就可以实现让真实信号频带的信号通过，抑制和衰减其它频带的信 号的目的，从而去除大量的干扰信号。经典滤波器根据需要，可以设计成低通、 带通、高通、带阻等形式。所谓数字滤波，是指输入输出均为数字信号，通过 一定的运算关系，改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成 分。 经过对铁道车辆线路实测动应力数据频谱的分析，应力信号频率基本上都 在4 0 h z 以下。因此，选用通带截止频率甜。- - 4 0 h z ，阻带截止频率，= 4 0 5 h z 的选频数字滤波器。滤波器幅频特性如图“： 北京交通大学硕士学位论文摇枕侧架应力测量与分析 i l 4 0 7 0 7 疋 0 。& i 图2 4 幅频特性图 下图为转8 a g 提速试验测试信号滤波器前的波形图。 删 ”幽l一。删慨。l h 慨。剧础。帆、巾i i 龇l ，玑i 。 伊”_ ”剐l 一5 妒” 节”搭”斡掣妒甜雠 图2 5 滤波前测试信号图 f i g 2 5t e s t i n gs i g n a lb e f o r ef i l t e r i n g 图2 6 是经过滤波以后的波形图。 1 4 北京交通大学硕士学位论文 摇枕侧架应力测量与分析 图2 6 滤波后测试信号图 f i g 2 6t e s t i n gs i g n a la f t e rf i l t e r i n g 2 2 2 2 应力数据小波处理 在应力一时间历程的测试过程中，还会产生一些小的干扰应变信号，这些小 应变将会叠加到真实信号上去。这些信号往往很小，一般只有几个m p a ，对材 料的疲劳损伤基本上没有什么影响，但在编制应力谱时，构成了许多小循环， 影响了应力谱的真实分布。因此，在数据处理时应对数据进行小波处理。小波 处理最简单的方法就是设置一个门槛值肪，把低于这个门槛值的信号滤掉。 试验表明，这些小的扰动信号都在5 m p a 以下“”。因此，在数据处理时设置门槛 值t h = 5 m p a 。 2 2 2 3 挑选应力时间历程的峰谷值 在疲劳损伤研究时，通常关心的是应力时间历程中的极大、极小值点( 即 应力峰谷值点) ，而并不关心介子峰、谷值点之问的过渡数据样点，因此必须 把这些过渡数据样点加以过滤，这一数据处理过程即是挑选应力一时间历程的 峰谷值。挑选应力一时间历程峰谷值的主要思路是：先从输入数据文件读取两 个应力值，并将第一点写入输出数据文件，再比较第一个应力值与第二个应 力值的大小，如果第一个应力值小于第二个应力值，则认为第一个应力值为 应力谷值点，然后通过应力峰值点寻找模块找到应力峰值点，再通过应力谷 值点寻找模块找到下一个应力谷值点，如此循环往复直至输入文件读完为止； 如果第一个应力值大于第二个应力值，则认为第一个应力值为应力峰值点， 然后通过应力谷值点寻找模块找到应力谷值点，再通过应力峰值点模块寻找 下一个应力峰值点，如此循环往复直至输入数据文件读完为止“。 北京交通大学硕士学位论文 摇枕侧架应力测量与分析 2 2 2 4 雨流计数与应力谱的编制0 1 将应力( 或载荷) 一时间历程简化为一系列全循环或半循环的过程叫做“计 数”。已经提出的计数法有十多种，它们可以分为两大类：单参数计数法和双参 数计数法。单参计数法只记录应力或循环中的一个参量，如变程( 相邻的峰值 与谷值之差即范围) 或峰值，不能给出全部信息。峰值计数法、穿级计数法、 变程计数法等都属于单参数计数法。双参数计数法可以记录应力循环中的两个 参数。由于应力循环中只有两个独立参量，因此双参数计数法可以记录应力循 环的全部信息。目前使用最多的是双参数雨流计数法。 雨流计数法由m m a t s u i s h i 和t e n d o 提出。取一垂直向下的坐标表示时 间，横坐标表示应力。这时应力一时间历程与雨点从宝塔顶向下流动的情况相同， 因而得名。 例：图2 7 ( a ) 所示应变一时间历程，图( b ) 表示其对应的循环应力一应变曲 线由图可见两个小循环2 3 2 、5 - 6 5 和一个大循环1 4 7 分别构成两小的 和一个大的滞后回线。从低周疲劳损伤的角度出发，并且假设一个大的变程所 引起的疲劳损伤d i 不受为完成一个小的滞后回线而截断的影响，则可逐次将构 成较小滞后回线的较小循环从整个应变一时间历程中提取出来，重新加以组合。 这样，图( a ) 应变一时间历程将简化为图( c ) 的形式，而且认为两者对材料所构 成的疲劳损伤是等效的。 应变 o 7 时间 4 刍澎 j 屋澡 r 应霉 7 北京交通大学硕士学位论文摇枕侧架应力测量与分塑 一一一 _ _ _ _ _ _ _ ，_ - _ - _ ，_ - _ 一 ( c ) 图2 7 应力一时问历程等效图 f i g 2 7e q u i v a l e n c eo f s t r e s s t i m eh i s t o r y 雨流计数即是根据这个原理做出的。雨流计数法的规则为： 1 重新安排载荷历程，以最高峰值或最低峰值为起点； 2 雨流一次从每个蜂( 谷) 值得内侧向下流，在下一个峰( 谷) 值处落下， 直到对面有一个比其起点更高的峰值( 或更低的谷值) 停止； 3 当雨流遇到自上面屋顶流下的雨流是即行停止； 取出所有的全循环，并记录下各自的变程和均值； 如图2 8 ，雨流法从l 点开始，该点认为是最小值。雨流流至2 点，竖直 下滴到3 与4 的峰值5 的对应处点幅值问的27 点，然后流到4 点，最后停于 比1 点更负。得出一个从l 到4 的半循环。下一个雨流从峰值2 点开始，流经 3 点，停于4 点的对面，因为4 点是比开始的2 点具有更正的最大值，得出一 个半循环2 3 。第三个流动从3 点开始，因为遇到由2 点滴下的雨流，所以终 止于2 点。得出半循环3 2 。这样，3 2 和2 3 就形成了一个闭合的应力一应 变回路环，它们配成一个完全的循环2 - 3 - 2 下一个雨流从峰值4 开始，流经 5 点，竖直下滴到6 和7 之间的5 点，继续往下流，再从7 点竖直下滴到峰值 1 0 的对面，因为1 0 点比4 点具有更正的最大值。得出半循环4 5 7 。第五个流 动从5 点开始，流到6 点，竖直下滴，终止于7 点的对面，因为7 点比5 点具 有更负的极小值。取出半循环5 6 。第六个流动从6 点开始，因为遇到由5 点 北京交通大学硕士学位论文 摇枕侧架应力测量与分析 滴下的雨滴，所以流到5 点终止。半循环6 - 5 与5 - 6 配成一个完全循环5 - 6 - 5 ， 取出57 6 5 第七个流动从7 点开始，经过8 点，下落到9 - 1 0 线上的8 点， 然后到最后的峰值1 0 ，取出半循环7 - 8 - 1 0 。第八个流动从8 点开始，流至9 点 下降到1 0 点的对面终止，因为l o 点比8 点具有更正的最大值。取出半循环 8 9 。最后一个流动从9 点开始，因为遇到由8 点下滴的雨流，所以终止于8 ， 取出半循环9 - 87 。把两个半循环8 9 和9 - 8 配对，组成一个完全的循环 8 9 87 ，这样，图中所示的应变一时间记录包括三个完全循环8 9 8 。2 3 2 ， 5 - 6 5 和三个半循环卜2 4 ，4 5 7 ，7 - 8 1 0 。雨流法得到的应变是与材料应力一 应变特性相一致的。 雨流计数法简图 卜2 7 5 疹 l 1 6 7 悠 蓊 。一_ 芦翅 l 图2 8 雨流计数法 f i g 2 8r a i n f l o wm e t h o d 2 2 2 5 应力谱的编制 将实测应力一时间历程经过计数统计之后，即可得到应力的大小与其出现频 次的关系。表示随机应力的大小与其出现频次关系的图表就是应力谱。程序应 力谱的程序块容量愈小、块数愈多，就愈接近连续变化的应力一时间历程。 试验表明：用4 级谱得出的试验寿命比8 级谱长，而超过8 级的试验寿命 北京交通大学硕士学位论文摇枕侧架应力测量与分析 则与8 级谱极为接近。因此，通常采用8 级应力谱，就足以代表连续的应力一 时问历程了o 。 一维应力谱，采用国内外广泛采用的“波动中心”法，所谓波动中心是所 有应力循环均值的总平均。将应力谱简化为一元随机变量问题，即仅考虑应力 循环幅值而不考虑应力循环均值。以波动中心作为应力循环的静应力分量，幅 值作为动应力分量，将幅值叠加于波动中心之上。具体的做法是：先对输入的 数据文件进行一次扫描，找到应力幅值的最大值吒。和最小值吒。，按下式 进行分组 d ：亟塑 墨型 式中： d 为组间距； c r d 。为应力幅值的最大值； o a 丌咂为应力幅值的最小值； 为应力谱级数。 将应力划分为n 级之后，顺序读入源数据文件，按照应力幅值的n 个区间 逐个判断应力幅值仃。；属于哪一级范围，并进行计数。各组的应力幅值d 0 有时 为了方便就直接采用其组中值来表示。 吒；= 毕( f _ 1 ，2 ，) 测试中，有时候应力均值变化会比较大，为了更准确地分析，应将应力循 环均值和幅值都视为随机变量，这就需要编制二维应力谱。与一维应力谱的编 制类似，先将均值、幅值进行分组处理，再按发生的频数统计计数。 2 3 摇枕侧架室内动应力测试结果分析 本文对转8 g ( a g ) 摇枕、侧架疲劳寿命试验进行了室内疲劳试验和线路运 行实测试验。 室内试验使用实际运用了一定年限，由不同厂家生产的转8 g ( a g ) 摇枕和 侧架，进行疲劳加载直至发生疲劳破坏( 裂纹超限) 。通过摇枕、侧架室内疲劳 试验，得出其剩余寿命( 循环加载次数) ，根据试验结果，分析摇枕、侧架运用 1 9 北京交通大学硕士学位论文 摇枕侧架应力测量与分析 一定年限后的损伤程度。 摇枕试验在四方车辆研究所进行。依照规定，疲劳试验载荷为：旁承侧滚 载荷0 0 5 p 1 o p ，心盘浮沉载荷0 3 2 p 2 3 p ( p 为一个转向架承受的垂向静 载荷，其值等于转向架轴重与轴数的乘积减去转向架自重) ： 加载方式：旁承侧滚载荷2 5 万次+ 心盘沉浮载荷7 5 万次为一个加载单元： 当目测可见裂纹l o m m ，记录循环加载次数眠，目测可见裂纹1 5 r a m ，停止 试验，记录一 侧架试验在兰州交通大学结构强度试验室进行。依据规定，加载疲劳试验 载荷：垂直载荷0 8 4 c 2 9 c ，横向载荷o 0 4 c ( c 为轴颈载荷，对于d 轴转 向架，c = 1 9 5 k n ) ； 加载方式：垂直载荷、横向载荷同时施加：目测可见裂纹l o m m ，记录循 环加载次数 ，目测可见裂纹1 5 m m ，停止试验，记录m ，。 侧架室内疲劳加载试验共做了由不同厂家生产、生产年份不同的1 7 个侧 架，由北京交通大学结构强度试验室进行了疲劳加载下侧架的动应力测试。侧 架加载循环次数和裂纹情况如下表“： 表2 7 侧架疲劳试验剩余寿命一览表 t a b 2 7r e s i d u a ll i