CN104215466B - 一种列车车体底架疲劳强度的试验方法 - Google Patents
一种列车车体底架疲劳强度的试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种列车车体底架疲劳强度试验台及试验方法，该试验台包括试验用的火车车体底架(1)、底架(1)两端固定所用的作动器(2)、作动器(2)另一端固定在反力座(3)上，反力座(3)固定在盆形地基(4)端部，底架(1)放在支撑装置(5)上，支撑装置(5)固定于盆形地基(4)的两侧，在盆形地基(4)内部设有六自由度激振装置(6)，六自由度激振装置(6)上部固定有垂向加载装置(7)和牵引装置(8)，垂向加载装置(7)和牵引装置(8)另一端分别与底架(1)连接。本发明该试验台可以完成一个车体底架的疲劳强度试验或者同时完成两个车体底架的疲劳强度试验，试验成本低，试验效率高，试验结果更真实可靠。
Description
技术领域
本发明属于铁路运输技术领域，具体地说，涉及一种列车车体底架疲劳强度试验台及试验方法。
背景技术
我国自2007年实施铁路第六次大提速以来，从最初时速200公里级别的CRH型动车组到如今运行时速达到380公里的CRH380，高速列车在不足7年的时间内，不断刷新着试验以及实际运营速度记录。但是在速度等指标飞速提升的同时，所带来的安全可靠性问题却缺乏研究。
高速列车由于其高速、重载及轻量化的发展方向，普遍采用的是铝合金焊接结构。铝合金高速列车从材料的制造成型以及后续的焊接、装配过程均实现了国产化，但是基础研究却落后于法国及日本等发达国家。在提速列车的早期设计中，主要采用的是以安全系数保证强度裕度的设计理念，对于列车在制造内应力和外部动载荷共同作用下的可靠性考虑比较欠缺。因此在设计阶段存在着静载强度富裕，而动载和疲劳强度不足的问题，设计阶段不能有效预测其安全性和疲劳寿命，这种情况至今依然存在。不论是目前的动车组还是地铁车体底架，在不同程度上都出现了裂纹，而其服役时间远远不到设计的时间。为了研究车体底架裂纹萌生原因及车体底架疲劳强度，建立车体底架疲劳强度试验台是非常必要的。
现有的车体底架疲劳强度试验都是在强度试验台或者车体静强度试验台通过液压做动器来进行实施的，没有专用的试验台。并且试验时仅能对车体底架进行力的加载，不能进行振动的加载。因此，目前存在的强度试验台无法真实的模拟完成车体底架的疲劳强度试验，且受到各种硬件设施的影响。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种列车车体底架疲劳强度试验台及试验方法，该试验台可以完成一个车体底架的疲劳强度试验或者同时完成两个车体底架的疲劳强度试验，试验成本低，试验效率高，试验结果更真实可靠；同时可以测试车体底架具体位置的加速度，应变，位移等响应参数；并且试验时对周围环境影响很小。其技术方案如下：
一种列车车体底架疲劳强度试验台，包括试验用的火车车体底架1、底架1两端固定所用的作动器2、作动器2另一端固定在反力座3上，反力座3固定在盆形地基4端部，底架1放在支撑装置5上，支撑装置5固定于盆形地基4的两侧，在盆形地基4内部设有六自由度激振装置6，六自由度激振装置6上部固定有垂向加载装置7和牵引装置8，垂向加载装置7和牵引装置8另一端分别与底架1连接。
一种列车车体底架疲劳强度试验方法，包括以下步骤：将两个火车车体底架通过夹具对接连接后，或者一个列车车体底架放置在支撑装置上，车体底架的两端通过车钩座与作动器连接在固定反力座上，在盆形地基凹坑内安装好六自由度激振装置，将垂向加载装置和牵引装置分别于车体底架和六自由度激振装置进行连接；启动六自由度激振装置的垂向液压做动器将车体底架举升一定的高度，让其脱离支撑装置，车钩连接处的液压做动器对车体底架进行纵向力的施加，最后启动六自由度激振装置的纵向和横向液压做动器对车体底架进行振动完成车体底架的疲劳强度试验；试验中测试车体底架各个关心部位的振动加速度，位移，应变等参数。
本发明的有益效果：
一、在一个试验台上，完成了一个或者同时完成两个车体底架的疲劳强度试验。较之整车的疲劳强度试验来说，试验成本低，试验更加方便快捷，针对性更强，试验效率更高。并且可以针对重点部位进行专项研究。约束方式和力的加载，振动的加载与实际线路运营情况一致，得到的试验数据更加真实，为列车的设计与维护提供更加可靠的试验数据。
二、本试验台通过两个底架对接方式进行试验，可以大大的节约试验成本。也使其能更加真实的模拟列车实际的底架形式，使试验数据更加真实、可靠。
三、本试验台通过盆形地基将六自由度激振装置包含在凹坑内，即保护了疲劳试验振动时的安全性，同时起到降音隔噪的效果。从而保证了试验区周围的建筑物以及居民生活环境不受影响；同时，试验区域也同样受到保护不被外界环境影响，使得试验数据更加真实可信。
四、试验时，支撑装置在车体底架垂向下方和横向方向上有保护作用。使得试验可以安全的进行。
附图说明
图1为本发明实施例的主视结构示意图；
图2为本发明实施例的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例的A-A剖面示意图；
图4为本发明实施例的B-B剖面示意图；
图5为本发明实施例的无底架俯视结构示意图；
图6为本发明实施例中的六自由度激振装置的主视放大结构示意图；
图7为本发明实施例中的六自由度激振装置的侧视放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
为解决传统水力发电的局限问题，本发明提出的原理为：水能转化为机械能、然后转化为压力能、最后转化为电能。
本发明所述的车体底架1的具体构成是：两个车体底架1通过夹具9进行对接连接，其放置在支撑装置5上，车体底架1两端通过车钩座与作动器2连接进行固定，车体底架1 底部的二系悬挂位置与垂向加载装置7连接，车体底架1底部的牵引座位置与牵引装置8 连接。
这样的车体底架可以即方便又精确可靠的模拟真实底架连接方式，同时能更好的提高试验效率，节约成本，同时方便两种车体底架或者两个车体底架的试验研究。
上述的盆形地基4的具体结构是：盆形地基4为矩形结构，在矩形内部有个凹坑，盆形地基4两侧沿和凹坑内部铺设有T型导轨4a。
这样的盆形地基可以方便的节约试验空间高度，同时满足不同类型的车体底架，同时方便拆卸。
上述的支撑装置5的具体结构是：立柱5a固定在盆形地基4两侧的T型导轨4a上，横梁5b在横向方向上将两个立柱连接，横梁5b在试验安装时用于支撑车体底架1，在横梁 5b上部固定有横向止档座5c。
这样的支撑装置可以在试验安装过程中起到支撑作用，方便被试件车体底架的安装，在试验中，通过横梁和横向止档座在垂向和横向方向上对车体底架起到保护作用，可以放心进行试验研究。
上述的六自由度激振装置6的具体构成是：顶板6b上部有T型槽，底板6a与顶板6b之间连有三个垂向双球铰液压作动器6c，底板6a的后部立有后壁板6d，后壁板6d的顶部与顶板6b的侧面之间连有两个纵向双球铰液压作动器6c，底板6a的右侧立有右筋板6e，顶板6b的左侧下方设有左筋板6f，右筋板6e与左筋板6f之间连有横向双球铰液压作动器 6c。
这样的六自由度激振装置可以即方便又精确可靠的实现动态的三个方向垂向、横向及纵向的运动及三个方向的转动。
上述的垂向加载装置7的具体结构是：下部的弹性基座7a固定于六自由度激振装置6 的顶板6b上，弹性基座7a与空气弹簧模拟装置7b相连接，空气弹簧模拟装置7b另一端通过力传感器7c与另一个空气弹簧模拟装置7b连接，最上部的空气弹簧模拟装置7b与车体底架1连接。
这样的垂向加载装置的固定方式和力的传递面积与真实的线路列车连接及受力面积相同，保证了试验受力和约束的真实性。通过力传感器可以测试垂向力的大小。
上述的牵引装置8的具体结构是：牵引销8a顶部通过螺栓与车体底架1的牵引座连接，牵引销8a的纵向与牵引座纵向加载装置8b连接，牵引销8a的横向与牵引座横向加载装置 8c连接，牵引座纵向加载装置8b和牵引座横向加载装置8c都固定在六自由度激振装置6的顶板6b上。
这样的牵引装置的固定方式和力的传递方式与真实的线路列车连接及受力面积相同，保证了试验受力和约束的真实性。同时，试验中在牵引座纵、横向加载装置两端采用球铰装置，保证试验中力的传递的准确性。在牵引座纵、横向加载装置的中间装有力传感器，方便的测试牵引座的受力情况。
实施例
图1～4示出：本次发明的一种具体实施方式是：一种列车车体底架疲劳强度试验台，包括试验用的火车车体底架1、底架1两端固定所用的作动器2、作动器2另一端固定在反力座3上，反力座3固定在盆形地基4端部，底架1放在支撑装置5上，支撑装置5固定于盆形地基4的两侧，在盆形地基4内部设有六自由度激振装置6，六自由度激振装置6上部固定有垂向加载装置7和牵引装置8，垂向加载装置7和牵引装置8另一端分别与底架1 连接。
图3及图1，2示出：本例的车体底架1的具体构成是：两个车体底架1通过夹具9进行对接连接，其放置在支撑装置5上，车体底架1两端通过车钩座与作动器2连接进行固定，车体底架1底部的二系悬挂位置与垂向加载装置7连接，车体底架1底部的牵引座位置与牵引装置8连接。
图4及图3，5示出，本例的盆形地基4的具体结构是：盆形地基4为矩形结构，在矩形内部有个凹坑，盆形地基4两侧沿和凹坑内部铺设有T型导轨4a。
图4及图2示出，本例的支撑装置5的具体结构是：立柱5a固定在盆形地基4两侧的T型导轨4a上，横梁5b在横向方向上将两个立柱连接，横梁5b在试验安装时用于支撑车体底架1，在横梁5b上部固定有横向止档座5c。
图6及图7，5示出，本例的六自由度激振装置6的具体构成是：顶板6b上部有T型槽，底板6a与顶板6b之间连有三个垂向双球铰液压作动器6c，底板6a的后部立有后壁板 6d，后壁板6d的顶部与顶板6b的侧面之间连有两个纵向双球铰液压作动器6c，底板6a 的右侧立有右筋板6e，顶板6b的左侧下方设有左筋板6f，右筋板6e与左筋板6f之间连有横向双球铰液压作动器6c。
图4及图3 示出，本例的垂向加载装置7的具体结构是：下部的弹性基座7a固定于六自由度激振装置6的顶板6b上，弹性基座7a与空气弹簧模拟装置7b相连接，空气弹簧模拟装置7b另一端通过力传感器7c与另一个空气弹簧模拟装置7b连接，最上部的空气弹簧模拟装置7b与车体底架1连接。
图4及图3 示出，本例的牵引装置8的具体结构是：牵引销8a顶部通过螺栓与车体底架1的牵引座连接，牵引销8a的纵向与牵引座纵向加载装置8b连接，牵引销8a的横向与牵引座横向加载装置8c连接，牵引座纵向加载装置8b和牵引座横向加载装置8c都固定在六自由度激振装置6的顶板6b上。
本发明在具体应用过程中：
1：目的
对车体底架进行静强度和疲劳试验：
静强度主要检验车体端部底架在最大载荷的组合作用下是否有发生永久变形的危险，和在各种载荷组合作用下有无发生裂纹、焊缝开裂的危险；
疲劳试验验证车体端部底架的使用寿命，估计安全裕量，以及不能被静强度试验识别的疲劳点在模拟运行载荷条件下有无发生裂纹、焊缝开裂的危险。
通过疲劳试验确定端部底架薄弱部位，并对薄弱部位进行跟踪试验，确定薄弱部位裂纹扩展趋势及速率。
通过静强度试验和疲劳试验，对全不锈钢端部底架牵引梁式、车钩箱式和碳钢端部底架进行对比分析。
2：试验依据
BS EN12663：2010—轨道车身的结构要求
3：试验被试件描述
试验对象为全不锈钢端部底架，是车体底部的一部分，在车体底架上部关心的部位布置应变片；
4：试验实施
4.1试验台的安装
4.1.1根据车体底架的长度，调整好反力座3，支撑装置5 和六自由度激振装置6的位置，并进行固定。
4.1.2将两个车体底架通过夹具对接连接后，或者一个列车车体底架放置在支撑装置5 的横梁5b上；
4.1.3将车体底架1在车钩连接处与作动器2连接，在空簧连接处与垂向加载装置7连接，在牵引销位置与牵引装置8连接；
4.1.4将作动器2另一端固定在反力座3上；垂向加载装置7和牵引装置8固定在六自由度激振装置6的顶板6b上；
4.1.5在车体底架上放置配重，使其达到车体的重量；
4.1.6在支撑装置5的横梁5b上安装横向止档座5c；
4.1.7安装好车体底架之后，进行应变片，力传感器，及位移传感器的布置，连接等。 4.2静强度试验
4.2.1工况的设置如表1所示：
表1车体相关参数
| M车 | 备注 | |
| 自重 | 35t | |
| 定员 | 260人 | 60kg/人 |
| 转向架质量 | 7t |
载荷计算：
(1)垂向配重
考虑试验底架为车体总长的30％，因此垂向配重应该是车体整备状态的30％。由此计算得到试验时试验底架和配重的总重量为：
W＝(35+260*0.06-2*7)*30％＝10.98t
试验前调整试验件和配重的重量为10.98t。
(2)空气弹簧垂向载荷
根据EN12663-2010的规定车体垂向加速度1+/-0.15g
准静态(每空簧)：Fz0＝(35+260*0.06-2*7)*9.81/4＝89.8kN
动态(每空簧)：Fdz＝±0.15*Fz0＝±13.5kN
空气弹簧载荷：Fz＝89.8±13.5kN
(3)中心销横向载荷
根据EN12663-2010的规定车体横向加速度+/-0.15g，横向反力由两个中心销同时承担。
动态(每中心销)：Fdy＝±0.15*(35+260*0.06-2*7)*9.81/2＝±26.9kN
(4)中心销纵向载荷
根据EN12663-2010的规定，由车辆制动和牵引引起的车体纵向加速度+/-0.15g
Fx＝±0.15*(35+260*0.06-7*2)*9.81/2＝±26.9kN
(5)缓冲器纵向载荷
根据EN12663-2010的规定车体纵向加速度+/-0.15g；
中间车考虑两端缓冲器同时承载：Fx＝±0.15*(35+260*0.06-7*2)*9.81/2＝±26.9kN
头尾车考虑一端缓冲器承载：Fx＝±0.15*(35+260*0.06-7*2)*9.81＝±53.8kN
静强度组合工况表如表2所示：
表2底架静强度组合工况
4.2.2静强度工况的实施：
(1)启动液压系统，启动六自由度激振装置6的三个垂向双球铰液压作动器6c进行工况表中空簧垂向的加载；
(2)启动液压系统，启动六自由度激振装置6的横向双球铰液压作动器6c进行工况表中中心销横向的加载；
(3)启动液压系统，启动六自由度激振装置6的两个纵向双球铰液压作动器6c进行工况表中中心销纵向的加载；
(4)启动液压系统，启动液压做动器2进行工况表中缓冲器纵向的加载；
(5)试验中记录应变，力，位移等测试参数。
4.2疲劳强度试验
4.2.1车体底架局部疲劳周期加载试验
采用周期加载方法，测试被试件检测部位的动应力，通过疲劳极限法评定车体底架局部的疲劳强度。端部底架疲劳试验分为三个阶段共计1000万次，第一阶段，600万次载荷循环；第二阶段，200万次载荷循环，动态载荷大小在第一阶段载荷基础上增加1.2倍；第三阶段，200万次载荷循环，动态载荷大小在第一阶段基础上增加1.4倍。
(1)空气弹簧垂向载荷
根据EN12663-2010的规定车体垂向加速度1+/-0.15g
准静态(每空簧)：Fz0＝(35+260*0.06-2*7)*9.81/4＝89.8kN
动态(每空簧)：Fdz＝±0.15*Fz0＝±13.5kN
空气弹簧载荷：Fz＝89.8±13.5kN
(2)中心销横向载荷
根据EN12663-2010的规定车体横向加速度+/-0.15g，横向反力由两个中心销同时承担。
动态(每中心销)：Fdy＝±0.15*(35+260*0.06-2*7)*9.81/2＝±26.9kN
(3)中心销纵向载荷
根据EN12663-2010的规定，由车辆制动和牵引引起的车体纵向加速度+/-0.15g，假设纵向载荷只由两个中心销同时承担。
Fx＝±0.15*(35+260*0.06-7*2)*9.81/2＝±26.9kN
(4)缓冲器纵向载荷
根据EN12663-2010的规定，由车辆制动和牵引引起的车体纵向加速度+/-0.15g，只考虑由缓冲器承担。
头尾车考虑一端缓冲器承载：Fx＝±0.15*(35+260*0.06-7*2)*9.81＝±53.8kN
表3、表4为端部底架疲劳试验载荷表
表3端部底架疲劳试验载荷表(力kN)
表4端部底架疲劳试验载荷表(加速度g)
(1)根据表格中的数据(力或者加速度)和波形图编制疲劳载荷驱动文件；
(2)启动液压系统，启动六自由度激振装置6的三个垂向双球铰液压作动器6c将车体底架提升到一定高度(根据试验条件确定)；
(3)启动试验，运行MTS液压伺服系统执行驱动文件(第一步编制的)；
(4)在每完成200万次进行探伤处理。
(5)试验中记录应变，力，位移等测试参数。
4.2.2车体底架局部疲劳随机加载线路载荷谱再现试验
为了更好的在实验室条件下再现线路条件，对车体底架进行线路载荷谱再现试验。试验中采用MTS液压系统Remote Parameter Control控制，简称RPC。跟踪线路运行的火车，测试车体底架关键部位的应变，位移和加速度；
(6)对线路实际的测试数据进行编辑处理，即形成载荷谱目标文件；
(7)启动液压系统，启动六自由度激振装置6的三个垂向双球铰液压作动器6c将车体底架提升到一定高度(根据试验条件确定)；
(8)测试车体底架，工装连接等试验系统的频率响应；
(9)生成初始试验载荷谱(即每个作动器如何动作，时间和力或者时间和位移的关系)；
(10)启动试验，液压伺服系统及MTS系统的RPC软件根据载荷谱目标文件(第二步处理得到的)进行一直迭代，知道达到重合要求，保存为最终的最终驱动文件；
(11)运行液压系统，执行第六步得到的最终驱动文件。
(12)在每完成200万次进行探伤处理。
(13)试验中记录应变，力，位移等测试参数。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种列车车体底架疲劳强度的试验方法，使用的试验台的组成是：试验用的列车车体底架(1)、列车车体底架(1)两端固定所用的作动器(2)、作动器(2)另一端固定在反力座(3)上，反力座(3)固定在盆形地基(4)端部，列车车体底架(1)放在支撑装置(5)上，支撑装置(5)固定于盆形地基(4)的两侧，在盆形地基(4)内部设有六自由度激振装置(6)，六自由度激振装置(6)上部固定有垂向加载装置(7)和牵引装置(8)，垂向加载装置(7)和牵引装置(8)另一端分别与列车车体底架(1)连接；
使用所述的试验台进行列车车体底架疲劳强度的试验方法，包括以下步骤：
将两个列车车体底架通过夹具对接连接后放置在支撑装置上，或者一个列车车体底架放置在支撑装置上，列车车体底架的两端通过车钩座与作动器连接在固定反力座上，在盆形地基凹坑内安装好六自由度激振装置，将垂向加载装置和牵引装置分别与列车车体底架和六自由度激振装置进行连接；启动六自由度激振装置的垂向液压作动器将列车车体底架举升一定的高度，让其脱离支撑装置，车钩连接处的液压作动器对列车车体底架进行纵向力的施加，最后启动六自由度激振装置的纵向和横向液压作动器对列车车体底架进行振动完成列车车体底架的疲劳强度试验；试验中测试列车车体底架各个关键部位的振动加速度，位移，应变三个参数。
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