CN108871746A - 一种列车枕梁结构疲劳试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种列车枕梁结构疲劳试验系统及方法，约束工装用于固定枕梁试验件，加载工装作用于枕梁试验件上；液压站与液压作动器连接，力传感器分别与液压作动器和加载工装连接；力传感器与控制单元的信号输入端连接，液压作动器与控制单元的信号输出端连接；其方法为：根据列车枕梁结构疲劳试验要求设计约束工装和加载工装；按上述设备连接方式，搭建列车枕梁结构疲劳试验系统；控制单元根据预先设定的载荷变化形式及大小，通过控制液压作动器实现对枕梁疲劳载荷的控制，完成规定次数的疲劳试验。本发明可对各种型号的列车枕梁进行疲劳试验，实现对列车枕梁这类大型复杂结构件服役安全性的试验评估。

Description

一种列车枕梁结构疲劳试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种金属结构件疲劳性能测试技术，具体为列车枕梁结构疲劳试验系统及方法。

背景技术

地铁是一种便捷的交通工具，目前许多城市都在兴建自己的地铁交通网络，地铁列车在方便了人民生活的同时，其安全性也越来越受到关注。地铁列车绝大部分都为铝合金焊接结构，焊接缺陷不可避免，而且焊接材料局部性能不均匀，焊接的热影响区会导致局部产生变形留下残余应力，这些都为其安全服役埋下了隐患，因此，在地铁列车出厂投入使用之前，对其服役安全性进行评估很有必要。

列车车体是一个尺寸大、结构复杂的焊接结构，服役时会同时承受多个不同载荷作用，如车身和乘客的重力、牵引力、制动力、横向止挡力等，这些载荷有的均布在车体地板上，有的则集中在车钩座或者枕梁中心销上。目前对于列车车体服役安全性的评估，一般都采用整车进行疲劳试验，对此还专门建立了列车整车试验平台，通过沙袋来施加乘客重力、液压作动器施加牵引力、惯性加载平台施加横向止挡力等，这样的整车试验周期长、设备复杂、费用昂贵。其实对于列车整车而言，由于应力分布不均且不同部位材料性能不同，其相对危险的部位为车体枕梁，因此对枕梁结构进行安全性评估不仅可以在一定程度上达到整车安全性评估的目的，而且可以大大降低试验成本、缩短试验周期。

即使是列车枕梁，其尺寸(长约2m，宽约3m)也较大，结构复杂且多点受载。目前针对列车枕梁结构的疲劳试验技术具有相当难度，一般仍采用列车整车进行疲劳试验，这种试验不仅成本昂贵、周期长、效率低，而且枕梁结构多点同时受载的情况难以实现，因此不能全面评价枕梁结构的疲劳性能。

市面上目前并没有完备的列车枕梁结构疲劳试验系统，若要对其进行疲劳性能研究，需要设计一个专门针对于列车枕梁结构的疲劳试验平台。

发明内容

针对现有技术中没有成熟的针对列车枕梁结构疲劳性能进行疲劳试验测试的疲劳系统这一不足，本发明要解决的技术问题是提供一种能够规范、高效考察列车枕梁结构疲劳性能的疲劳试验系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种列车枕梁结构疲劳试验系统，包括液压站、液压作动器、力传感器、控制单元、约束工装以及加载工装；其中，约束工装用于固定枕梁试验件，加载工装作用于枕梁试验件上；液压站与液压作动器连接，力传感器分别与液压作动器和加载工装连接；力传感器与控制单元的信号输入端连接，液压作动器与控制单元的信号输出端连接。

所述加载工装包括空气弹簧载荷加载工装和中心销载荷加载工装，其中，空气弹簧载荷加载工装为圆盘形，工装一侧设计有用于在枕梁表面定位的台阶，工装中心处设计有第一通孔，带螺纹的第一加载杆由第一通孔穿过，空气弹簧载荷通过第一螺母、第一大垫片经第一加载杆来施加；

所述中心销载荷加载工装包括工装底板、工装主体以及两个加强板，工装底板上设计有用螺栓来固定在枕梁上的通孔和用于固定工装主体的台阶孔；中心销载荷工装主体固定在工装底板上，两个加强板焊接在工装底板与工装主体之间；中心销载荷工装主体上设计有用于穿过带螺纹的第二加载杆的第二通孔，中心销载荷通过第二螺母、第二大垫片经第二加载杆来施加。

所述约束工装包括约束工装主体以及螺纹块，其中，约束工装主体设计有台阶孔和多个通孔，台阶孔和工装主体底部通孔将约束工装固定在疲劳试验支撑支座上，工装主体立面通孔与螺纹块配合，通过螺栓将枕梁固定在约束工装上。

还具有用于支撑枕梁的垫块，其上设计有用于在工装上定位的销孔。

所述疲劳载荷系统包括液压站、液压作动器、力传感器以及控制单元，其中，液压站提供动力给液压作动器，力传感器检测液压作动器输出的载荷，并将检测信号反馈给控制单元，控制单元根据设定好的载荷大小发出调节指令，控制液压作动器上电磁阀的开闭，实现对疲劳载荷的闭环控制。

本发明还具有腐蚀箱，枕梁、加载工装以及约束工装置于腐蚀箱中。

本发明列车枕梁结构疲劳试验方法，包括以下步骤：

1)根据列车枕梁疲劳试验要求，设计约束工装和加载工装；

2)将枕梁试验件安装在约束工装上，而后安装加载工装；

3)将液压作动器、加载工装与力传感器相连，力传感器与控制单元连接，液压作动器与液压站和控制单元连接；

4)控制单元根据预先设定的载荷变化形式及大小，通过控制液压作动器实现对枕梁疲劳载荷的控制，完成规定次数的疲劳试验。

本发明还包括以下步骤：

5)将腐蚀箱固定；

6)在腐蚀箱中，先将枕梁试验件安装在约束工装上，而后安装加载工装；

7)在腐蚀箱外，将液压作动器、加载工装与力传感器相连，力传感器与控制单元连接，液压作动器与液压站和控制单元连接；

8)按照腐蚀环境要求，启动腐蚀箱；

9)控制单元根据预先设定的载荷变化形式及大小，通过控制液压作动器实现对枕梁疲劳载荷的控制，完成规定次数的腐蚀疲劳试验。

本发明具有以下有益效果及优点:

1.本发明列车枕梁结构疲劳试验系统及方法，可对各种型号的列车枕梁进行疲劳试验，实现了对列车枕梁这类大型复杂结构件服役安全性的试验评估。

2.本发明所设计的加载工装和约束工装可以重复利用，根据不同的列车型号及实验要求，做出相应的调整即可，同时具有类似要求的工装也可以参考此工装进行设计和改进。

附图说明

图1为本发明列车枕梁结构疲劳试验系统结构示意图；

图2为本发明系统加载与约束工装效果图；

图3为本发明系统中约束工装结构示意图；

图4为本发明系统中空气弹簧载荷加载工装结构示意图；

图5为本发明系统中中心销载荷加载工装结构示意图。

图6为利用本发明进行列车枕梁结构腐蚀疲劳试验系统结构示意图。

其中，1为控制单元，2为液压作动器，3为力传感器，4为中心销载荷加载工装，5为枕梁，6为约束工装，7为液压站，8为空气弹簧载荷加载工装，9为约束工装主体，10为螺纹块，11为小垫块，12为大垫块，13为空气弹簧载荷拉杆(第一加载杆)，14为工装主体，15为工装底板，16为腐蚀箱。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明一种列车枕梁结构疲劳试验系统，包括液压站7、液压作动器2、力传感器3、控制单元1、约束工装6以及加载工装。其中，约束工装6用于固定枕梁试验件5，加载工装作用于枕梁试验件5上；加载工装、液压作动器2分别与力传感器3相连，液压站7与液压作动器2连接；力传感器3与控制单元1的信号输入端连接，液压作动器2与控制单元1的信号输出端连接。

本实施例将列车枕梁结构疲劳试验系统分为三个部分：

载荷输入部分，包括液压站7、液压作动器2和加载工装；

载荷控制部分，包括力传感器3和控制单元1；

枕梁约束部分，包括约束工装6；

如图3所示，所述约束工装包括约束工装主体9以及螺纹块10，其中，约束工装主体9设计有台阶孔和多个通孔，台阶孔和底部通孔用于穿过内六角螺栓，将约束工装固定在疲劳试验支撑支座上；立面通孔用于穿过内六角螺栓，与螺纹块配合将枕梁试验件固定在约束工装上。

枕梁试验件5放置在大12、小垫块11上，而后通过螺纹块10和螺栓固定在约束工装主体9上。

加载工装包括空气弹簧载荷加载工装8和中心销载荷加载工装4，其中，空气弹簧载荷加载工装8为圆盘形，直径根据空气弹簧与枕梁接触尺寸确定，空气弹簧载荷加载工装8一侧设计有用于在枕梁表面定位的台阶，中心处设计有第一通孔，带螺纹的第一加载杆即空气弹簧载荷拉杆13，由第一通孔穿过。在空气弹簧载荷加载工装8表面利用第一大垫片和第一螺母，将第一加载杆固定，疲劳试验时，第一加载杆下端与液压作动器连接，受作动器产生的向下拉力来实现列车枕梁结构空气弹簧载荷的施加。

如图4所示，空气弹簧载荷加载工装8，通过台阶放置在枕梁空气弹簧安装位置，空气弹簧载荷拉杆13穿过空气弹簧载荷加载工装8后，靠第一螺母和第一大垫圈对枕梁试验件施加空气弹簧载荷。

中心销载荷加载工装4包括工装底板15、工装主体14以及两个加强板，工装底板15上设计有用螺栓固定在枕梁上的通孔和用于固定工装主体的台阶孔，工装主体14通过内六角螺栓固定在工装底板15上，两个加强板焊接在工装底板15与工装主体14之间，工装主体14上设计有用于穿过带螺纹的第二加载杆的第二通孔，带螺纹的第二加载杆由第二通孔穿过。在工装主体14的顶端侧面利用第二大垫片和第二螺母，将第二加载杆固定，疲劳试验时，第二加载杆与液压作动器连接，受作动器产生的拉力来实现列车枕梁结构中心销载荷的施加。

如图5所示，中心销载荷加载工装4的工装底板15通过螺栓连接固定在枕梁试验件5上，工装主体14通过工装底板15上的台阶孔定位并固定，具体位置需根据实际载荷施加方向确定，两个加强板焊接在工装底板15与工装主体14之间，中心销载荷同样通过中心销载荷工装主体14上穿过的第二加载杆来施加，具体详见图2中中心销载荷加载工装4的效果图。

本发明还具有腐蚀箱，枕梁、加载工装以及约束工装置于腐蚀箱中，如图6所示。本实施例中，腐蚀箱采用步入式盐雾腐蚀试验室，型号：BYW-37。

约束工装和加载工装需根据枕梁结构疲劳试验方案具体设计，而本发明中约束工装和加载工装的结构形式可作为不同型号列车枕梁结构疲劳试验的参考，如高速列车枕梁等。

本发明中，液压站提供动力给液压作动器，力传感器检测液压作动器输出的载荷，并将检测信号反馈给控制单元，控制单元根据设定好的载荷大小发出调节指令，控制液压作动器上电磁阀的开闭，实现对疲劳载荷的闭环控制。

本发明系统工作过程及原理如下：

先将列车枕梁试验件安装在约束工装上，而后安装加载工装；将液压作动器、加载工装与力传感器相连；最后将液压站与液压作动器连接，力传感器与控制单元连接，液压作动器与控制单元连接。在控制单元中设定好载荷变化形式及大小后，液压站提供动力给液压作动器，力传感器测量液压作动器输出载荷大小，并把信号反馈给控制单元，控制单元根据设定好的载荷大小发出调节指令，控制液压作动器上电磁阀的开闭，从而保证列车枕梁试验件按照疲劳载荷要求在本疲劳试验系统上进行列车枕梁结构的疲劳寿命及服役安全性测试。

本发明一种列车枕梁结构疲劳试验方法，包括以下步骤：

1)根据列车枕梁疲劳试验要求，设计约束工装和加载工装；

2)将枕梁试验件安装在约束工装上，而后安装加载工装；

3)将液压作动器、加载工装与力传感器相连，力传感器与控制单元连接，液压作动器与液压站和控制单元连接；

4)控制单元根据预先设定的载荷变化形式及大小，通过控制液压作动器实现对枕梁疲劳载荷的控制，完成规定次数的疲劳试验。

本实施例利用本列车枕梁结构疲劳试验系统，对某型列车枕梁进行了3个枕梁试验件的疲劳试验，实现了对列车枕梁这类大型复杂结构件服役安全性的试验评估。具体过程为：

根据列车运行时，枕梁结构的承载情况，设计疲劳试验方案，结构示意图如图2所示；

设计约束工装，实现对枕梁试验件的固定，如图3所示；

设计空气弹簧载荷加载工装，用于实现对枕梁试验件空气弹簧载荷的施加，如图4所示；

设计中心销载荷加载工装，用于实现对枕梁试验件中心销载荷的施加，如图5所示；

根据载荷大小选择合适的液压作动器、力传感器；

按照列车枕梁结构疲劳试验系统原理图(如图1所示)，搭建实物；

调试控制单元参数，输入载荷形式及大小；

启动液压站，启动控制单元，开始列车枕梁结构疲劳试验研究。

液压站启动后，产生液压作动力，控制单元根据预先设定好的载荷，对液压作动器发出指令，控制液压作动器上电磁阀的开闭，力传感器检测液压作动器产生的实际载荷大小，并反馈给控制单元，控制单元根据反馈信号与设定的载荷对液压作动器的指令做出调节。以这样的加载流程，列车枕梁的空气弹簧载荷和中心销载荷分别通过空气弹簧载荷加载工装和中心销载荷加载工装对枕梁试验件施加，进行疲劳试验。

在此发明的基础上，考虑到奔驰在祖国大江南北的高速列车，由于其运行范围广，不同地域环境差异较大，其服役安全性不仅受到疲劳载荷的影响，而且环境对其寿命的影响也不可忽视。因此进一步发明了列车枕梁结构腐蚀疲劳试验系统及方法，即在原疲劳试验系统中，加入了腐蚀箱，系统结构示意图如图6所示。枕梁试验件、加载工装、约束工装均安装在腐蚀箱中，其他设备的连接方式不变。完全模拟枕梁服役过程中，同时承受疲劳载荷和环境腐蚀对其安全性的影响。

封闭腐蚀试验箱，并按照腐蚀环境要求设置并启动腐蚀箱，在控制单元中设定好载荷变化形式及大小后，液压站提供动力给液压作动器，力传感器测量液压作动器输出的载荷大小，并把信号反馈给控制单元，控制单元根据设定的载荷发出调节指令，控制液压作动器上电磁阀的开闭，从而保证枕梁试验件按照疲劳载荷要求在规定的腐蚀环境中进行服役安全性测试。

腐蚀疲劳试验方法步骤如下：

5)将腐蚀箱固定；

6)在腐蚀箱中，先将枕梁试验件安装在约束工装上，而后安装加载工装；

7)在腐蚀箱外，将液压作动器、加载工装与力传感器相连，力传感器与控制单元连接，液压作动器与液压站和控制单元连接；

8)按照腐蚀环境要求，启动腐蚀箱；

9)控制单元根据预先设定的载荷变化形式及大小，通过控制液压作动器实现对枕梁疲劳载荷的控制，完成规定次数的腐蚀疲劳试验。

实施例利用本列车枕梁腐蚀疲劳试验系统，对某型列车枕梁进行了3个腐蚀疲劳试验，实现了对列车枕梁这类大型复杂结构件在腐蚀环境中服役安全性的试验评估。具体过程为：

根据列车运行时，服役环境情况，设计腐蚀疲劳试验环境方案；

根据列车运行时，枕梁结构的承载情况，设计疲劳试验方案，结构示意图如图2所示；

设计腐蚀箱，用于提供枕梁结构腐蚀疲劳试验中的腐蚀环境。

设计约束工装，用于实现对枕梁试验件的固定，如图3所示；

设计空气弹簧载荷加载工装，用于实现对枕梁试验件空气弹簧载荷的施加，如图4所示；

设计中心销载荷加载工装，用于实现对枕梁试验件中心销载荷的施加，如图5所示；

根据载荷大小选择合适的液压作动器、力传感器；

按照列车枕梁结构腐蚀疲劳试验系统原理图(如图6所示)，搭建实物；

调试控制单元参数，输入载荷形式及大小；

密封腐蚀箱，按要求设置并启动腐蚀箱；

启动液压站，启动控制单元，开始列车枕梁结构腐蚀疲劳试验研究。

Claims (9)

1.一种列车枕梁结构疲劳试验系统，其特征在于：包括液压站、液压作动器、力传感器、控制单元、约束工装以及加载工装；其中约束工装用于固定枕梁试验件，加载工装作用于枕梁试验件上；液压站与液压作动器连接，力传感器分别与液压作动器和加载工装连接；力传感器与控制单元的信号输入端连接，液压作动器与控制单元的信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的列车枕梁结构疲劳试验系统，其特征在于：所述加载工装包括空气弹簧载荷加载工装和中心销载荷加载工装，其中，空气弹簧载荷加载工装为圆盘形，工装一侧设计有用于在枕梁表面定位的台阶，工装中心处设计有第一通孔，带螺纹的第一加载杆由第一通孔穿过，空气弹簧载荷通过第一螺母、第一大垫片经第一加载杆来施加。

3.根据权利要求2所述的列车枕梁结构疲劳试验系统，其特征在于：所述中心销载荷加载工装包括工装底板、工装主体以及两个加强板，工装底板上设计有用螺栓来固定在枕梁上的通孔和用于固定工装主体的台阶孔；中心销载荷工装主体固定在工装底板上，两个加强板焊接在工装底板与工装主体之间；中心销载荷工装主体上设计有用于穿过带螺纹的第二加载杆的第二通孔，中心销载荷通过第二螺母、第二大垫片经第二加载杆来施加。

4.根据权利要求1所述的列车枕梁结构疲劳试验系统，其特征在于：所述约束工装包括约束工装主体以及螺纹块，其中，约束工装主体设计有台阶孔和多个通孔，台阶孔和工装主体底部通孔将约束工装固定在疲劳试验支撑支座上，工装主体立面通孔与螺纹块配合，通过螺栓将枕梁固定在约束工装上。

5.根据权利要求4所述的列车枕梁结构疲劳试验系统，其特征在于：还具有用于支撑枕梁的垫块，其上设计有用于在工装上定位的销孔。

6.根据权利要求1所述的列车枕梁结构疲劳试验系统，其特征在于：所述疲劳载荷系统包括液压站、液压作动器、力传感器以及控制单元，其中，液压站提供动力给液压作动器，力传感器检测液压作动器输出的载荷，并将检测信号反馈给控制单元，控制单元根据设定好的载荷大小发出调节指令，控制液压作动器上电磁阀的开闭，实现对疲劳载荷的闭环控制。

7.根据权利要求1所述的列车枕梁结构疲劳试验系统，其特征在于：还具有腐蚀箱，枕梁、加载工装以及约束工装置于腐蚀箱中。

8.根据权利要求1所述的列车枕梁结构疲劳试验方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据列车枕梁疲劳试验要求，设计约束工装和加载工装；

2)将枕梁试验件安装在约束工装上，而后安装加载工装；

3)将液压作动器、加载工装与力传感器相连，力传感器与控制单元连接，液压作动器与液压站和控制单元连接；

4)控制单元根据预先设定的载荷变化形式及大小，通过控制液压作动器实现对枕梁疲劳载荷的控制，完成规定次数的疲劳试验。

9.根据权利要求8所述的列车枕梁结构疲劳试验方法，其特征在于还包括以下步骤：

5)将腐蚀箱固定；

6)在腐蚀箱中，先将枕梁试验件安装在约束工装上，而后安装加载工装；

7)在腐蚀箱外，将液压作动器、加载工装与力传感器相连，力传感器与控制单元连接，液压作动器与液压站和控制单元连接；

8)按照腐蚀环境要求，启动腐蚀箱；

9)控制单元根据预先设定的载荷变化形式及大小，通过控制液压作动器实现对枕梁疲劳载荷的控制，完成规定次数的腐蚀疲劳试验。