CN107340147A - 一种铁路货车转向架整机疲劳试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械领域，尤其是涉及一种铁路货车转向架整机疲劳试验方法。包括：步骤1、建立被测转向架和典型车体的动力学模型，步骤2、根据线路实际情况设置线路参数，计算中用轨道不平顺作激扰输入。步骤3、对货车模型进行动力学仿真计划，步骤4、等到列车个速度等级运行工况下转向架各部件的载荷‑时间历程，步骤5、进而利用雨流计数法对其进行数据统计分析，步骤6、确定出可以用于相关转向架的载荷谱数据。因此，本发明具有如下优点：主要提出一种全新的试验方法，开拓了铁路货车转向架整机疲劳试验的新领域，试验台的研究内容具有前瞻性和开拓性，能提高企业的试验研究水平和技术创新能力。
Description
技术领域
本发明涉及机械领域，尤其是涉及一种铁路货车转向架整机疲劳试验方法。
背景技术
转向架是铁路车辆运行的重要部件。由于车辆行驶在不同的区段，机车走行部件负荷条件也时常变化，加之轨道不平顺等因素影响，使得零部件承受极为复杂的随机载荷，因此转向架零部件是典型的疲劳件。国内外相关科研院所、铁路车辆研制单位、车辆运用部门都在转向架的关键零部件疲劳研究方面开展了大量工作，但是关于转向架整机疲劳可靠性还没有形成确定或统一的标准。
现阶段对转向架零部件，如摇枕、侧架、弹簧、轮轴等关键零部件有静载荷及疲劳试验方法和标准，转向架整机疲劳试验还没有形成统一的标准。
然而，在转向架长期服役过程中，还是出现了许多我们在设计之初未能考虑到的问题，如连接部件的松动及脱落、螺栓的剪断、侧架的倾斜、磨耗的不规律及由此引起的车辆动力学性能急剧下降等问题，甚至许多通过了疲劳试验验证的零部件出现了裂纹甚至断裂，这些都是单独研究转向架零部件可靠性所无法发现的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种对转向架整机除轮对轴承以外的构架组合及关键零部件进行整机疲劳试验的方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种铁路货车转向架整机疲劳试验方法，其特征在于，包括：
步骤1、建立被测转向架和典型车体的动力学模型，并定义：
定义1：轮对、侧架、摇枕、和车体等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小得多，均视为刚体，即忽略各部件的弹性变形；
定义2：不考虑相邻车辆的作用，即只考虑单独一辆车的匀速运动；
定义3：不考虑钢轨的弹性变形。
根据转向架的结构特点，在分析中基于以下非线性约束因素：
约束因素1：轮轨非线性接触几何关系。
车轮踏面和轨面间具有非线性轮轨接触几何关系。
约束因素2：轮轨非线性蠕滑。在计算中先按Kalker线性理论确定蠕滑力，然后再用试探法修正为非线性值。
约束因素3：悬挂非线性。悬挂系统具有两级刚度特性；侧架与摇枕之间有横向及纵向间隙，当两者相对位移达到间隙时，连接刚度增加；摇枕和车体之间存在回转摩擦力矩，其方向随摇枕与车体的相对转动速度方向的变化随时变化。
步骤2、根据线路实际情况设置线路参数，计算中用轨道不平顺作激扰输入。由于轨道是由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。根据世界各国公布的轨道不平顺谱，只要线路质量相当，其轨道谱也比较接近。在我国还没有自己轨道谱的情况下，借用与我国线路情况相接近的轨道谱，其计算结果也基本符合实际情况。在计算时采用美国Ⅴ级线路谱，美国Ⅴ级线路不平顺，并基于SIMPACK多体动力学软件设置线路参数；
步骤3、对货车模型进行动力学仿真计划，
在动力学模型和输入条件的基础下，开展动力学仿真分析，具体步骤如下：
步骤301、建立动力学仿真模型+线路输入条件
步骤302、仿真分析+不同速度等级
步骤303、计算结果提取+获得各部件的载荷-时间历程曲线
步骤4、等到列车各速度等级运行工况下转向架各部件的载荷-时间历程，根据行动力学仿真计划得到各个速度等级下转向架各部件的载荷-时间历程，以下为速度60km/h时的转向架心盘的载荷-时间历程；
步骤5、进而利用雨流计数法对其进行数据统计分析，数据处理主要过程为：
步骤501、数据格式转换。
步骤502、按照列车运行过程中可能的行驶速度分配比例，将不同速度下同一部位同一种载荷数据进行按比例连接，形成新的时间—载荷历程数据。
步骤503、对载荷—时间历程进行雨流计数。
步骤504、对雨流计数法计算出来的数据进行分级，编制16级载荷谱。
步骤6、确定出可以用于相关转向架的载荷谱数据。
在本发明中，试验台通过模拟加载梁将载荷作用在转向架心盘和旁承上，模拟转向架所受的垂向载荷、横向载荷和扭转载荷。如图1所示。
同时，试验加载需要试验载荷谱，试验载荷谱通过以下途径获得：
利用SIMPACK多体动力学软件建立被测转向架和典型车体的动力学模型，根据线路实际情况设置线路参数，对货车模型进行动力学仿真计划，等到列车各速度等级运行工况下转向架各部件的载荷-时间历程，进而利用雨流计数法对其进行数据统计分析，初步确定出可以用于相关转向架的载荷谱数据。
通过分析配装转K5型转向架的C70EH型通用敞车在美国V级线路谱条件下，速度等级为40-120km/h工况下的心盘、旁承垂向载荷，对仿真分析形成的时间—载荷历程数据进行处理，形成16级载荷谱。
数据处理主要过程为：
(1)数据格式转换。
(2)按照列车运行过程中可能的行驶速度分配比例，将不同速度下同一部位同一种载荷数据进行按比例连接，形成新的时间—载荷历程数据。
(3)对载荷—时间历程进行雨流计数。
(4)对雨流计数法计算出来的数据进行分级，编制16级载荷谱。
以下个表给出的是一位转向架心盘载荷谱：
一位转向架心盘垂向载荷谱
| 应力幅 | 次数 | 累计总数 | 次数比 |
| 161.55 | 5464.0 | 33208.0 | 1.0000e+000 |
| 473.64 | 4222.0 | 27744.0 | 8.3546e-001 |
| 785.73 | 3714.0 | 23522.0 | 7.0832e-001 |
| 1097.83 | 2756.0 | 19808.0 | 5.9648e-001 |
| 1409.92 | 2583.0 | 17052.0 | 5.1349e-001 |
| 1722.02 | 2131.0 | 14469.0 | 4.3571e-001 |
| 2034.11 | 2051.0 | 12338.0 | 3.7154e-001 |
| 2346.20 | 1749.0 | 10287.0 | 3.0977e-001 |
| 2658.30 | 1573.0 | 8538.0 | 2.5711e-001 |
| 2970.39 | 1331.0 | 6965.0 | 2.0974e-001 |
| 3282.48 | 1176.0 | 5634.0 | 1.6966e-001 |
| 3594.58 | 982.0 | 4458.0 | 1.3424e-001 |
| 3906.67 | 1007.0 | 3476.0 | 1.0467e-001 |
| 4218.77 | 933.0 | 2469.0 | 7.4350e-002 |
| 4530.86 | 765.0 | 1536.0 | 4.6254e-002 |
| 4842.95 | 771.0 | 771.0 | 2.3217e-002 |
一位转向架心盘横向载荷谱
一位转向架心盘纵向载荷谱
| 应力幅 | 次数 | 累计总数 | 次数比 |
| 161.13 | 49169.0 | 209267.0 | 1.0000e+000 |
| 473.28 | 31010.0 | 160098.0 | 7.6504e-001 |
| 785.43 | 23633.0 | 129088.0 | 6.1686e-001 |
| 1097.59 | 18705.0 | 105455.0 | 5.0393e-001 |
| 1409.74 | 15767.0 | 86750.0 | 4.1454e-001 |
| 1721.89 | 13317.0 | 70983.0 | 3.3920e-001 |
| 2034.05 | 10981.0 | 57666.0 | 2.7556e-001 |
| 2346.20 | 9084.0 | 46685.0 | 2.2309e-001 |
| 2658.35 | 7699.0 | 37601.0 | 1.7968e-001 |
| 2970.50 | 6091.0 | 29902.0 | 1.4289e-001 |
| 3282.66 | 5526.0 | 23811.0 | 1.1378e-001 |
| 3594.81 | 4800.0 | 18285.0 | 8.7376e-002 |
| 3906.96 | 4005.0 | 13485.0 | 6.4439e-002 |
| 4219.12 | 3610.0 | 9480.0 | 4.5301e-002 |
| 4531.27 | 3257.0 | 5870.0 | 2.8050e-002 |
| 4843.42 | 2613.0 | 2613.0 | 1.2486e-002 |
通过动力学仿真分析的方法，可以得到完整的铁路货车转向架试验用载荷谱，满足铁路货车转向架整机疲劳试验的要求。
因此，本发明具有如下优点：主要提出一种全新的试验方法，开拓了铁路货车转向架整机疲劳试验的新领域，试验台的研究内容具有前瞻性和开拓性，能提高企业的试验研究水平和技术创新能力。
附图说明
附图1是本发明的转向架整机疲劳试验模拟加载示意图；
附图2是本发明的动力学仿真分析模型；
附图3a是本发明的动力学仿真分析用美国V级线路谱；
附图3b是本发明的动力学仿真分析用美国V级线路谱；
附图3c是本发明的动力学仿真分析用美国V级线路谱；
附图3d是本发明的动力学仿真分析用美国V级线路谱；
附图4a是本发明的SIMPACK动力学软件中线路参数；
附图4b是本发明的SIMPACK动力学软件中线路参数设置；
附图5是本发明的一位心盘右侧垂向载荷—时间历程；
附图6是本发明的一位心盘左侧垂向载荷—时间历程；
附图7是本发明的一位心盘前端垂向载荷—时间历程；
附图8是本发明的一位心盘后端垂向载荷—时间历程；
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
试验台通过模拟加载梁将载荷作用在转向架心盘和旁承上，模拟转向架所受的垂向载荷、横向载荷和扭转载荷。
利用SIMPACK多体动力学软件
1、建立被测转向架和典型车体的动力学模型，
铁道车辆是一个复杂的多体系统，不但有各部件之间的相互作用力和相对运动，而且还有轮轨之间的相互关系。因此，理论计算分析模型只能根据研究的主要目的和要求，对一些次要因素进行相应的假定或简化，而在对动力学性能影响较大的主要因素上尽可能做出符合实际情况的模拟。根据该转向架的结构特点，在建立动力学模型时，作如下假设：
(1)轮对、侧架、摇枕、和车体等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小
得多，均视为刚体，即忽略各部件的弹性变形；
(2)不考虑相邻车辆的作用，即只考虑单独一辆车的匀速运动；
(3)不考虑钢轨的弹性变形。
根据转向架的结构特点，在分析中考虑以下非线性因素：
(1)轮轨非线性接触几何关系。
车轮踏面和轨面间具有非线性轮轨接触几何关系。
(2)轮轨非线性蠕滑。
在计算中先按Kalker线性理论确定蠕滑力，然后再用试探法修正为非线性值。
(3)悬挂非线性。
悬挂系统具有两级刚度特性；侧架与摇枕之间有横向及纵向间隙，当两者相对位移达到间隙时，连接刚度增加；摇枕和车体之间存在回转摩擦力矩，其方向随摇枕与车体的相对转动速度方向的变化随时变化。
2、根据线路实际情况设置线路参数，
计算中用轨道不平顺作激扰输入。由于轨道是由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。根据世界各国公布的轨道不平顺谱，只要线路质量相当，其轨道谱也比较接近。在我国还没有自己轨道谱的情况下，借用与我国线路情况相接近的轨道谱，其计算结果也基本符合实际情况。在计算时采用美国Ⅴ级线路谱，美国Ⅴ级线路不平顺如图3a至图3d所示。
SIMPACK多体动力学软件中设置线路参数，如图4a、图4b所示。
3、对货车模型进行动力学仿真计划，
在上述动力学模型和输入条件的基础下，开展动力学仿真分析，具体步骤如下：
(1)建立动力学仿真模型+线路输入条件
(2)仿真分析+不同速度等级
(3)计算结果提取+获得各部件的载荷-时间历程曲线
4、等到列车各速度等级运行工况下转向架各部件的载荷-时间历程，
根据行动力学仿真计划得到各个速度等级下转向架各部件的载荷-时间历程，以下为速度60km/h时的转向架心盘的载荷-时间历程：
运行速度为60km/h时，心盘边缘载荷如下图5-8所示：
5、进而利用雨流计数法对其进行数据统计分析，
数据处理主要过程为：
(1)数据格式转换。
(2)按照列车运行过程中可能的行驶速度分配比例，将不同速度下同一部位同一种载荷数据进行按比例连接，形成新的时间—载荷历程数据。
(3)对载荷—时间历程进行雨流计数。
(4)对雨流计数法计算出来的数据进行分级，编制16级载荷谱。
6、初步确定出可以用于相关转向架的载荷谱数据。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (1)
1.一种铁路货车转向架整机疲劳试验方法，其特征在于，包括：
步骤1、建立被测转向架和典型车体的动力学模型，并定义：
定义1：轮对、侧架、摇枕、和车体等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小得多，均视为刚体，即忽略各部件的弹性变形；
定义2：不考虑相邻车辆的作用，即只考虑单独一辆车的匀速运动；
定义3：不考虑钢轨的弹性变形；
根据转向架的结构特点，在分析中基于以下非线性约束因素：
约束因素1：轮轨非线性接触几何关系；
车轮踏面和轨面间具有非线性轮轨接触几何关系；
约束因素2：轮轨非线性蠕滑；在计算中先按Kalker线性理论确定蠕滑力，然后再用试探法修正为非线性值；
约束因素3：悬挂非线性；悬挂系统具有两级刚度特性；侧架与摇枕之间有横向及纵向间隙，当两者相对位移达到间隙时，连接刚度增加；摇枕和车体之间存在回转摩擦力矩，其方向随摇枕与车体的相对转动速度方向的变化随时变化；
步骤2、根据线路实际情况设置线路参数，计算中用轨道不平顺作激扰输入；由于轨道是由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；根据世界各国公布的轨道不平顺谱，只要线路质量相当，其轨道谱也比较接近；在我国还没有自己轨道谱的情况下，借用与我国线路情况相接近的轨道谱，其计算结果也基本符合实际情况；在计算时采用美国Ⅴ级线路谱，美国Ⅴ级线路不平顺，并基于SIMPACK多体动力学软件设置线路参数；
步骤3、对货车模型进行动力学仿真计划，
在动力学模型和输入条件的基础下，开展动力学仿真分析，具体步骤如下：
步骤301、建立动力学仿真模型+线路输入条件
步骤302、仿真分析+不同速度等级
步骤303、计算结果提取+获得各部件的载荷-时间历程曲线
步骤4、等到列车各速度等级运行工况下转向架各部件的载荷-时间历程，根据行动力学仿真计划得到各个速度等级下转向架各部件的载荷-时间历程，以下为速度60km/h时的转向架心盘的载荷-时间历程；
步骤5、进而利用雨流计数法对其进行数据统计分析，数据处理主要过程为：
步骤501、数据格式转换；
步骤502、按照列车运行过程中可能的行驶速度分配比例，将不同速度下同一部位同一种载荷数据进行按比例连接，形成新的时间—载荷历程数据；
步骤503、对载荷—时间历程进行雨流计数；
步骤504、对雨流计数法计算出来的数据进行分级，编制16级载荷谱；
步骤6、确定出可以用于相关转向架的载荷谱数据。
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