CN101319966A - 一种内燃机车疲劳寿命估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机车疲劳寿命估算方法，首先选择估算内燃机车疲劳寿命的关键设备，再选择表征影响各关键设备疲劳寿命的变量，通过采集相关数据得到所需变量值，利用疲劳累计损伤理论中的迈因纳准则，计算出各关键设备疲劳损伤度，当其值等于1时认为设备达到疲劳寿命应该检修。内燃机车整体疲劳损伤度等于各关键设备疲劳损伤度乘以对应权重系数相加之和，当这个值等于1时认为机车达到疲劳寿命应该大修。最后通过修正权重系数，使估算结果接近机车损伤实际状况，作为确定机车大修周期的依据。本发明不同于传统走行公里以及用当量公里确定机车大修周期的方法，它从本质上反映内燃机车损伤状况，估算结果可信度更高。

Description

一种内燃机车疲劳寿命估算方法

技术领域

本发明涉及机车车辆疲劳寿命估算方法，特别是涉及一种作为确定内燃机车大修周期依据的疲劳寿命估算方法。

背景技术

为满足不断增长的国民经济发展需要，近几年中国铁路进行了六次大提速，期间客货运输能力增加了18％，对机车的要求越来越高。目前全路正在服役的内燃机车有一万多台，它对铁路运输的安全高效运行起着举足轻重的作用，特别是2008年初南方雪灾的发生又显示了内燃机车的不可替代性。因此内燃机车的安全可靠运用是保障铁路运输正常运行的最基本条件之一。

中国内燃机车一般采用计划预防维修制度，即以规定的走行公里数为检修周期，铁道部规定的大修周期为70～90万km，中修为23～30万km，小修为4～6万km，辅修不小于2万km。为保障运行安全，机车检修周期应符合机车部件的实际损耗状况，只有当计划维修的周期接近机车发生故障的实际周期时，这种维修计划才是最有效的。内燃机车关键部件的损耗与多种因素相关，传统由走行公里单一地确定机车大修周期的方法不准确，造成或因机车维修不足而影响安全生产，或因维修过剩造成大量的资源浪费。

针对单一地由走行公里或运行时间来确定机车检修周期所存在的不足，中国有关部门在1999年提出了机车当量公里的概念。该方法以机车走行公里为基础，从机车部件损耗角度出发，综合考虑机车负荷状况及工作时间的影响，对各种工况下的机车走行公里进行修正。该方法具有一定的进步意义，并发挥了积极作用。虽然当量公里综合反映了不同运行工况对机车的损害，但机车当量公里数学模型中的参数都是经验值，，并不能准确得出内燃机车各关键部件的损伤程度，特别是对占内燃机车总数20％的使用30年以上的内燃机车更是如此。这些机车不但不能报废，单机牵引重量反而从3000吨提高到5000吨，继续为铁路服务。利用当量公里很难计算出不同使用年限的符合实际情况的内燃机车损伤状况。因此，迫切需要研究一种新的内燃机车检修周期估算方法，为内燃机车大修提供依据。

内燃机车是一个复杂的机电一体化系统，造成关键部件损伤或故障的因素很多，包括机械应力引起的疲劳损伤，热-电联合应力造成的绝缘失效等。统计结果表明，疲劳损伤是零部件的主要失效形式，在各种主要机械事故中，大约有50％～90％是由于疲劳失效引起的。因此，需要研究一种内燃机车疲劳寿命估算方法，依此确定内燃机车及其关键设备的检修周期，为内燃机车大修提供参考依据，既保障机车安全运行，又满足中国铁路运输重载、高速等要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种内燃机车疲劳寿命估算方法，计算内燃机车各关键设备及机车整体的疲劳损伤度，为确定内燃机车大修周期提供依据，此方法安全可行。

为实现这样的目的，本发明提出一种新的估算思路，通过分析影响各关键设备疲劳寿命的因素，选择表征影响各关键设备疲劳寿命的变量，依靠采集的数据算得各变量值，利用疲劳累计损伤理论中的迈因纳准则，计算各变量作用下的各关键设备疲劳损伤度，然后得出机车整体疲劳损伤度，为确定内燃机车大修周期提供依据。

本发明的内燃机车疲劳寿命估算方法步骤如下：

步骤1，选择内燃机车关键设备：选择柴油机、同步主发电机、车轴和转向架构架作为估算内燃机车疲劳寿命的关键设备。

机车的大修周期主要是针对机车上的关键设备，对于内燃机车来说，最重要的部件是动力设备和走行部件：柴油机、同步主发电机、车轴和转向架构架，这些关键设备的损伤程度直接影响了机车的大修周期。

步骤2，选择表征影响关键设备疲劳寿命的变量：对于以上关键设备而言，循环应力作用是造成零部件疲劳损伤的直接原因，由于环境限制无法在设备内部安装应力检测装置，但其输出转矩的大小可以表征部件的受力状况。

对于柴油机来说，选择曲轴输出扭矩作为表征其受力状况的变量；

同样地，车轴和转向架构架以牵引电机输出转矩表征其受力状况的变量；

对于同步主发电机来说，电应力造成其绝缘破坏影响检修周期，选择其输出电流作为表征电应力造成损伤的变量。

步骤3，估算关键设备疲劳寿命，利用疲劳累计损伤理论中的迈因纳准则(Miner Criterion)，通过采集到的数据得出步骤2中所述的变量值，它们超出其疲劳极限值的部分所对应地损伤度计算出各关键设备的疲劳损伤度：

[1]柴油机曲轴输出扭矩值中大于其疲劳极限值M_-1的是M₁，M₂，…，M_n，它们超出M_-1的部分对应地损伤度依次为d₁₁，d₁₂，…，d_1n，D₁为柴油机的疲劳损伤度，当 $D_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{1k}=1$ 时认为柴油机达到其疲劳寿命，应该检修；

[2]同步主发电机输出电流值中大于其疲劳极限值I_-1的是I₁，I₂，…，I_n，它们超出I_-1的部分对应地损伤度依次为d₂₁，d₂₂，…，d_2n，D₂为同步主发电机的疲劳损伤度，当 $D_2=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{2k}=1$ 时认为同步主发电机达到其疲劳寿命，应该检修；

[3]牵引电机输出转矩值中大于其疲劳极限值T_-1的是T₁，T₂，…，T_n，它们超出T_-1的部分对应地损伤度依次为d₃₁，d₃₂，…，d_3n，D₃为车轴和转向架构架的疲劳损伤度，当 $D_3=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{3k}=1$ 时认为车轴和转向架构架达到其疲劳寿命，应该检修；

各关键设备疲劳损伤度的数值范围满足条件：0＜d_i1，d_i2，…，d_in＜1，0＜D_i≤1，其中i＝1，2，3。

步骤4，估算内燃机车整体疲劳寿命：根据步骤3得出的三个关键设备疲劳损伤度D₁、D₂、D₃，计算内燃机车整体疲劳损伤度：

D＝ε₁·D₁+ε₂·D₂+ε₃·D₃

ε₁、ε₂、ε₃依次为三个关键设备的权重系数，当D＝1时认为内燃机车达到其疲劳寿命，应该大修；

内燃机整体疲劳损伤度的数值范围满足条件：0＜D ≤1；三个关键设备的权重系数取值范围满足条件：0＜ε₁，ε₂，ε₃＜1且ε₁+ε₂+ε₃＝1。

不能简单地把内燃机车看成是一个由各关键设备构成的串联系统或并联系统，不能因为其中一个各关键设备发生故障或疲劳断裂就要进行大修。当内燃机车的多个关键设备即将到达预计的疲劳寿命时，对整个内燃机进行大修才能保证其性能指标。权重系数的大小参考因素包括：设备重要性越高，权重系数越大；大修间隔的维修次数越多，权重系数越大。

步骤5，权重系数修正：根据内燃机车大修中各关键设备实际损伤情况相应地增大或减小其权重系数，经过多次修正后，估算结果接近机车损伤实际状况，作为确定机车大修周期的依据。

为了保证所述方法的有效性，至少需要采集一个大修周期(如90万公里)的数据以便得到步骤2中所述的变量值。

本发明的有益效果在于它不同于传统的走行公里或运行时间来确定机车检修周期的方法，与当量公里的方法相比，从本质上反映了内燃机车的损伤状况，估算结果的可信度更高。此方法经适当改进，如增减关键设备和变量、调整参数等也适用于包括电力机车在内的其他机车车辆的疲劳寿命估算，为确定机车大修周期提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例中内燃机车疲劳寿命估算的流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出以东风型内燃机车为例的疲劳寿命估算的具体过程。

(1)选择柴油机、同步主发电机、车轴和转向架构架作为估算内燃机车疲劳寿命的关键设备。

(2)选择表征影响关键设备疲劳寿命的变量：

柴油机，选择曲轴输出扭矩作为表征其受力状况的变量；

同步主发电机，选择其输出电流作为表征电应力造成损伤的变量；

车轴和转向架构架，取牵引电机输出转矩作为表征其受力状况的变量；

(3)采集数据：采集机车同步主发电机输出电压、输出电流，柴油机转速，牵引电机转速以及由机车上安全监测装置提供的机车行驶里程、时间等信息，采样间隔不大于1s，累积90万公里的数据。同步主发电机输出电压、输出电流以及发电机效率三者相乘再除以柴油机转速即得到柴油机曲轴输出扭矩值M；同步主发电机输出电压、输出电流、整流系数以及牵引电机效率四者相乘再除以电机转速即得到牵引电机的输出转矩值T。

(4)估算关键设备及机车整体疲劳寿命：以柴油机输出扭矩为例，设定其额定输出转矩为疲劳极限值M_-1，(3)中得出的柴油机曲轴输出扭矩值中大于其疲劳极限值M_-1的是M₁，M₂，…，M_n，它们超出M_-1的部分对应地损伤度依次为d₁₁，d₁₂，…，d_1n， $D_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{1k}$ 即为柴油机的疲劳损伤度；同步主发电机、车轴和转向架架构的疲劳寿命估算过程亦同，只需将计算的变量换成同步主发电机输出电流I和牵引电机输出转矩T即可，就得出同步主发电机的疲劳损伤度D₂，车轴和转向架架构的疲劳损伤度D₃。最后计算ε₁·D₁+ε₂·D₂+ε₃·D₃就是内燃机车整体疲劳损伤度D。

(5)权重系数修正：第一次计算时给定ε₁＝ε₂＝ε₃＝1/3，当机车运行里程达到83万公里时，计算出D₁＝1.05，D₂＝1.17，D₃＝0.88，此时D＝1.03≈1，符合大修条件；与关键设备实际损伤比较发现，柴油机损伤状况符合大修要求，同步主发电机损伤状况低于大修要求，而车轴和转向架架构损伤状况超过大修要求，修正权重系数为ε₁＝0.33，ε₂＝0.17，ε₃＝0.5；第二次以修正后的权重系数参与计算，当机车运行里程达到79万公里时，计算出D₁＝1.02，D₂＝0.87，D₃＝1.05，此时D＝0.98≈1，符合大修条件；与关键设备实际损伤比较发现，三个关键设备达到或接近大修要求，权重系数选择正确，确定79万公里为该内燃机车的大修周期以供相关部门参考。

Claims (4)

1.一种内燃机车疲劳寿命估算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，选择内燃机车关键设备：选择柴油机、同步主发电机、车轴和转向架构架作为估算内燃机车疲劳寿命的关键设备；

步骤2，选择表征影响关键设备疲劳寿命的变量：

[1]柴油机，选择曲轴输出扭矩作为表征其受力状况的变量；

[2]同步主发电机，选择其输出电流作为表征电应力造成损伤的变量；

[3]车轴和转向架构架，取牵引电机输出转矩作为表征其受力状况的变量；

步骤3，估算关键设备疲劳寿命，根据步骤2中所述的变量值，它们超出其疲劳极限值的部分所对应地损伤度计算出各关键设备的疲劳损伤度：

[1]柴油机曲轴输出扭矩值中大于其疲劳极限值M_-1的是M₁，M₂，…，M_n，它们超出M_-1的部分对应地损伤度依次为d₁₁，d₁₂，…，d_1n，D₁为柴油机的疲劳损伤度，当 $D_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{1k}=1$ 时认为柴油机达到其疲劳寿命，应该检修；

[2]同步主发电机输出电流值中大于其疲劳极限值I_-1的是I₁，I₂，…，I_n，它们超出I_-1的部分对应地损伤度依次为d₂₁，d₂₂，…，d_2n，D₂为同步主发电机的疲劳损伤度，当 $D_2=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{2k}=1$ 时认为同步主发电机达到其疲劳寿命，应该检修；

[3]牵引电机输出转矩值中大于其疲劳极限值T_-1的是T₁，T₂，…，T_n，它们超出T_-1的部分对应地损伤度依次为d₃₁，d₃₂，…，d_3n，D₃为车轴和转向架构架的疲劳损伤度，当 $D_3=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{3k}=1$ 时认为车轴和转向架构架达到其疲劳寿命，应该检修；

步骤4，估算内燃机车整体疲劳寿命：根据步骤3得出的三个关键设备疲劳损伤度D₁、D₂、D₃，计算内燃机车整体疲劳损伤度：

D＝ε₁·D₁+ε₂·D₂+ε₃·D₃

ε₁、ε₂、ε₃依次为三个关键设备的权重系数，当D＝1时认为内燃机车达到其疲劳寿命，应该大修；

步骤5，权重系数修正：根据内燃机车大修中各关键设备实际损伤情况相应地增大或减小其权重系数，经过多次修正后，估算结果接近机车损伤实际状况，作为确定机车大修周期的依据。

2.如权利要求1所述的一种内燃机车疲劳寿命估算方法，其特征在于关键设备疲劳寿命的变量的采集至少需要采集一个大修周期的数据以便得到步骤2中所述的变量值，以保证所述方法的有效性。

3.如权利要求1所述的一种内燃机车疲劳寿命估算方法，其特征在于，步骤3中各关键设备疲劳损伤度的数值范围满足条件：0＜d_i1，d_i2，…，d_in＜1，0＜D_i≤1，其中i＝1，2，3。

4.如权利要求1所述的一种内燃机车疲劳寿命估算方法，其特征在于，步骤4中内燃机整体疲劳损伤度的数值范围满足条件：0＜D≤1；三个关键设备的权重系数取值范围满足条件：0＜ε₁，ε₂，ε₃＜1且ε₁+ε₂+ε₃＝1。

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