CN111666635A - 一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，包括：S1：建立转向架构架的有限元分析模型；S2：对步骤S1中构建的有限元分析模型施加边界条件和外部所需载荷，进行有限元分析与计算；S3：选择应力监测点进行应力监测，反演监测点与外部载荷数值关系BX＝Y，其中，B为系数矩阵，X为外部载荷列矩阵，Y为应力监测点的值矩阵；S4：在实际转向架上布置应力监测点并监测应力，获得实际应力监测值，同时结合步骤S3求得的监测点与外部载荷数值关系，计算实际外部载荷；S5：将步骤S4计算得到的实际外部载荷施加于步骤S1中的有限元模型进行分析，选取应力循环较大的节点进行疲劳寿命估算，从而预测构架剩余寿命，指导列车的实际运行。

Description

一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法。

背景技术

随着轨道交通的发展，列车全生命周期健康管理的研究已成为车辆制造单位、城轨列车维保单位的重点研究方向之一，而转向架作为车辆最核心的部件之一，其健康性能评估方法也就就成为重要研究方向。

转向架最主要的失效形式为构架的疲劳失效，转向架疲劳寿命的计算是评估转向架健康度、寿命预测的有效方法。传统的构架疲劳寿命计算主要分为理论模型计算和试验结果测试两种方法。理论计算法的步骤一般为：1、分析构架的受载工况(一般为15种左右，依据具体转向架型号不同，工况可能不同)，2、针对每种工况计算构架的应力集中点的疲劳寿命，3、综合各工况在车辆运行过程中的分配情况，综合评估构架的疲劳寿命。试验方法一般步骤为：1、通过构架的模型，理论计算出应力较大的位置；2、在实际构架的相应位置贴应变片采集实际应力；3、通过这几个位置的应力实际值计算各位置的疲劳寿命，最后依据最小寿命位置得出构架的疲劳寿命。

由理论的计算方法可以看出，该方法无法获取实际车辆运行过程中的受力情况，因此该方法仅能粗略计算构架的疲劳寿命是否满足设计需求，并不能较为准确的评判构架到目前的寿命阶段，无法预测构架剩余寿命。这种方法将会带来两种结果：当实际工况较模拟工况更恶劣时，容易造成构架疲劳寿命终点提前到来，造成构架裂纹等安全隐患；当实际工况优于模拟工况时，即使到了预期使用年限，构架依然具有良好的性能，这时强制报废将会造成浪费。

试验方法虽然可以准确获得构架实际运行过程中的应力，但是根据试验方法的步骤可看出，试验方法应力采集位置的布置依赖于理论计算的应力集中点，而应力集中点在各工况下可能不同，并且即使在同一工况下，应力集中位置也有很多点(例如，即使监测构架的一条焊缝的应力，也需要布置多个应变片)，一般试验时都选取比较有代表的应力集中点进行监测。因此试验的方法有可能无法真正监测到应力集中点，无法准确的监测构架应力情况，且传感器布置众多，增加了数据采集和维护成本。

发明内容

为解决上述疲劳寿命的理论计算方法和试验法的诸多问题，本发明提供一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，为科学评价构架健康状态与剩余寿命提供一种有效方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，该方法包括以下步骤：

S1：根据列车的转向架几何尺寸和材料属性，建立转向架构架的有限元分析模型；

S2：对步骤S1中构建的转向架构架的有限元分析模型施加边界条件和外部所需载荷，进行有限元分析与计算；

S3：选择应力监测点进行应力监测，反演监测点与外部载荷数值关系BX＝Y，其中，B为系数矩阵，X为外部载荷列矩阵，Y为应力监测点的值矩阵；

S4：在实际转向架上布置应力监测点并监测应力，获得实际应力监测值，同时结合步骤S3求得的监测点与外部载荷数值关系，计算实际外部载荷；

S5：将步骤S4计算得到的实际外部载荷施加于步骤S1中的有限元模型进行分析，选取应力循环较大的节点进行疲劳寿命估算，从而预测构架剩余寿命，指导列车的实际运行。

工作原理如下：

基于传统的转向架构架疲劳寿命计算主要分为理论模型计算和试验结果测试两种方法，其中，理论的计算方法无法获取实际车辆运行过程中的受力情况，因此该方法仅能粗略计算构架的疲劳寿命是否满足设计需求，并不能较为准确的评判构架到目前的寿命阶段，无法预测构架剩余寿命。这种方法将会带来两种结果：当实际工况较模拟工况更恶劣时，容易造成构架疲劳寿命终点提前到来，造成构架裂纹等安全隐患；当实际工况优于模拟工况时，即使到了预期使用年限，构架依然具有良好的性能，这时强制报废将会造成浪费。其中，试验方法虽然可以准确获得构架实际运行过程中的应力，但是根据试验方法的步骤可看出，试验方法应力采集位置的布置依赖于理论计算的应力集中点，而应力集中点在各工况下可能不同，并且即使在同一工况下，应力集中位置也有很多点(例如，即使监测构架的一条焊缝的应力，也需要布置多个应变片)，一般试验时都选取比较有代表的应力集中点进行监测。因此试验的方法有可能无法真正监测到应力集中点，无法准确的监测构架应力情况，且传感器布置众多，增加了数据采集和维护成本。

本发明采用设计的列车转向架构架疲劳寿命估算方法，将仿真计算方法与实验监测方法结合起来，综合理论计算法能够计算构架任意位置的应力值与试验法能够实现列车实际运行过程中的应力采集的优点，更加科学的计算构架疲劳寿命；本发明通过有限元仿真的方法计算施加外部载荷后的监测点的理论应力，利用应力叠加理论求解各监测点应力与外部载荷的系数矩阵，然后通过加装应力采集传感器监测列车实际运行过程中的应力值，利用理论方法计算出的系数矩阵，反演出列车实际过程中的受力，最后在理论模型中加载实际受力得到构架的应力历程，计算得到疲劳寿命薄弱点的疲劳寿命，也即是构架的疲劳寿命；本发明用反演的方式，计算出车辆运行过程中实际载荷下的疲劳寿命，使得疲劳寿命计算更加准确。

本发明方法应用在城轨列车构架健康度评价领域，可以有效避免单纯仿真法计算与实际工况差距较大的情况，以及避免试验测算法需要大量传感器造成的安装采集成本及维护成本上升，并且此方法可以科学有效的结合两种方法的优势，较为准确的计算出构架的疲劳寿命。

进一步地，步骤S1中建立转向架构架的有限元分析模型，包括网格、材料及边界条件。

进一步地，步骤S2中外部所需载荷包括转向架构架的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷，实际计算过程中根据需要研究的内容可以适当简化受力情况。

进一步地，步骤S2包括：

对步骤S1中构建的转向架构架的有限元分析模型施加边界条件和外部所需载荷，列出各力分别为x₁,x₂...x_n，将x₁的值设定为10000N(可以为其它数值，不影响最终结果)，其余x₂...x_n各力设为0，并进行有限元分析与计算。

进一步地，步骤S3包括：

S31：选取同施加载荷数量相同的节点作为应力监测点(后续计算过程中，监测点的位置不变)，记录各应力监测点的数值，记作y₁,y₂...y_n，建立应力x₁与y₁,y₂...y_n的方程组，即

由此可解出系数

的值；

S32：重复步骤S2与步骤S31直到x_n的值设为10000N，并计算出

S33：基于在实际工况下转向架构架在各点的应力等于多个外部载荷分别作用时在该点的应力的线性叠加，从而建立输入与输出的方程组关系，外部载荷作为输入，各应力监测点的值作为输出，记为：

简写为BX＝Y，式中：

B为系数矩阵；

X为外部载荷列矩阵；

Y为应力监测点的值矩阵(列矩阵)。

进一步地，步骤S4具体包括：

S41：在轨道列车转向架构架的有限元分析模型分析时的应力监测点位置贴应变片(即应力传感器)，建立数据采集模块，将实际轨道列车运行过程中的应力进行采集，记在某时刻τ各点的实际应力为y_1τ,y_2τ...y_nτ，通过步骤33得到的公式计算出该时刻外部载荷为x_1τ,x_2τ...x_nτ；其中，模型的应力监测点和实际应力采集点相同；

S42：按照步骤S41的方法计算出一段时间、里程记作d的其余各时刻的外部载荷。

进一步地，步骤S5具体包括：

S51：将步骤4计算得到的该时间历程的载荷加载到步骤S1所建立的转向架构架的有限元分析模型中进行计算，将步骤S2中所述的x₁,x₂...x_n外部载荷设为通过计算得到的各时刻实际载荷x_1τ,x_2τ...x_nτ；

S52：查看计算结果，选取整个时间段应力较集中的m个计算点，并获取这m个计算点的应力—时间历程，并基于雨流计数法(一种疲劳寿命计算所用到的应力循环计数方法)计算m个在这此时间段的疲劳损伤，记为s₁,s₂,…s_m，并根据公式l＝d÷s计算出各点的疲劳寿命，式中：l为疲劳寿命；s为损伤值；

S53：选取步骤S52总应力循环较大的节点进行疲劳寿命估算，从而预测构架剩余寿命，指导列车的实际运行。

进一步地，步骤S42中按照步骤S41的方法计算出一段时间、里程记作d的其余各时刻的外部载荷；其中，对于城轨列车，一段时间选取城轨列车一个来回时长。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明将仿真计算方法与实验监测方法结合起来，通过仿真法得出外部载荷与应力监测点的关系矩阵，再通过试验法实时测得实际工况中各监测点的应力，最后通过关系矩阵反演出实际工况下的外部载荷，并将实际载荷仿加载到仿真计算模型中计算出实际工况下各应力集中点的真实应力，进而得到构架危险点的疲劳寿命；

2、本发明方法应用在城轨列车构架健康度评价领域，可以有效避免单纯仿真法计算与实际工况差距较大的情况，以及避免试验测算法需要大量传感器造成的安装采集成本及维护成本上升，并且此方法可以科学有效的结合两种方法的优势，较为准确的计算出构架的疲劳寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法流程图。

图2为本发明转向架仿真受力模型图。

图3为本发明转向架应力采集点图。

图4为本发明转向架有限元仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明旨在提出一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，本发明通过有限元仿真的方法计算施加外部载荷后的监测点的理论应力，利用应力叠加理论求解各监测点应力与外部载荷的系数矩阵。然后通过加装应力采集传感器监测列车实际运行过程中的应力值，利用理论方法计算出的系数矩阵，反演出列车实际过程中的受力，最后在理论模型中加载实际受力得到构架的应力历程，计算得到疲劳寿命薄弱点的疲劳寿命，也即是构架的疲劳寿命。

如图1所示，本发明一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，该方法包括以下步骤：

S1：根据列车的转向架几何尺寸和材料属性，建立转向架构架的有限元分析模型；

S2：对步骤S1中构建的转向架构架的有限元分析模型施加边界条件和外部所需载荷，进行有限元分析与计算；

S3：选择应力监测点进行应力监测，反演监测点与外部载荷数值关系BX＝Y，其中，B为系数矩阵，X为外部载荷列矩阵，Y为应力监测点的值矩阵；

S4：在实际转向架上布置应力监测点并监测应力，获得实际应力监测值，同时结合步骤S3求得的监测点与外部载荷数值关系，计算实际外部载荷；

S5：将步骤S4计算得到的实际外部载荷施加于步骤S1中的有限元模型进行分析，选取应力循环较大的节点进行疲劳寿命估算，从而预测构架剩余寿命，指导列车的实际运行。

上述步骤的具体过程为：

步骤S1、根据列车的转向架几何尺寸和材料属性，建立转向架构架的有限元分析模型，包括网格、材料及边界条件。

步骤S2、分析转向架构架的受力，在本实例过程中对受力过程进行了一些简化，仅考虑二系安装(Fz1,Fz2)、电机吊座(Fmz1,Fmz2)、齿轮箱吊座(Fgz1、Fgz2)所受的垂向力以及横向止挡所受的横向力(Fy)，如图2所示，然后令Fz1＝10000N，其余各力为0。

步骤S3具体如下：

S31：将外部载荷施加到有限元模型，进行有限元计算，得到各应力监测点(如图3所示)的应力分别为(按1、2、3、4、5、6、7的顺序)：30Mpa、22Mpa、20Mpa、18Mpa、6Mpa、6Mpa、2Mpa，由此系数求解矩阵为：

解得

S32及S33：循环步骤S2与步骤S31，按照Fz2、Fg1、Fg2、Fmz1、Fmz2、Fy的加载顺序最终求解得到的系数矩阵为：

步骤S4、在实际构架如图3的所有监测点布置应力采集传感器，图3为本发明转向架应力采集点图，其中模型监测点和实际应力采集点相同；以“H型”转向架应力采集点来说明7个监测传感器的具体布置，按图3所示1-7的顺序依次为：构架左侧二系簧安装座、构架二轴左侧一系簧圆弧处、一轴齿轮箱安装座根部、一轴电机安装座根部、二轴电机安装座根部、二轴齿轮箱安装座根部、构架右侧二系簧安装座，并采集一个完整交路(某地铁公司地铁运行一个完整上下行，共42km)运行时各个监测点的应力数据，如某时刻各监测点应力为

即通过计算

同样的计算方式，计算出整个运行过程中各外部载荷。

步骤S5、将整个过程中的实际载荷加载到有限元模型中进行计算(某时刻计算结果如图4，通过加载外部载荷分析应力)，并选取m个应力计算点(此处选择多个时刻应力较大的多个点，个数为50)，并利用雨流计数法计算各个点的疲劳损伤，最终选取最大损伤点的总损伤为：2.3*e^-6，疲劳剩余寿命约为50年(试验车辆已经使用一年)。

由上述实施可得，本发明所述的方法仅用布置7处监测传感器即可求解构架在实际运行过程所有位置的应力历程，并且利用程序遍历求解，能够快速找到最大损伤点进而计算得到整体构架的疲劳寿命，提高了寿命评估的准确性。

本发明基于仿真的列车构架应力与外部载荷的关系求解，与传统构架应力计算不同，利用了应力叠加理论，可以有效求解构架监测点应力与外部载荷的关系；同时，利用实际监测点应力反演构架实际受力，构架在车辆运行过程中受多个外部载荷，很难以有效的手段对多个外部载荷进行监测，通过采集监测点应力再结合仿真求解的应力与载荷的关系可以计算出构架在车辆运行过程中的实际受载；另外，在理论模型中加载实际受力计算构架疲劳寿命通过加载计算出的构架实际受力，然后加载在有限元模型中进行应力求解，可以计算出构架任意位置的疲劳损伤，找到构架疲劳寿命薄弱位置，进而得出整个构架的疲劳剩余寿命。

本发明方法应用在城轨列车构架健康度评价领域，可以有效避免单纯仿真法计算与实际工况差距较大的情况，以及避免试验测算法需要大量传感器造成的安装采集成本及维护成本上升，并且此方法可以科学有效的结合两种方法的优势，较为准确的计算出构架的疲劳寿命。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：根据列车的转向架几何尺寸和材料属性，建立转向架构架的有限元分析模型；

S2：对步骤S1中构建的转向架构架的有限元分析模型施加边界条件和外部所需载荷，进行有限元分析与计算；

S3：选择应力监测点进行应力监测，反演监测点与外部载荷数值关系BX＝Y，其中，B为系数矩阵，X为外部载荷列矩阵，Y为应力监测点的值矩阵；

S4：在实际转向架上布置应力监测点并监测应力，获得实际应力监测值，同时结合步骤S3求得的监测点与外部载荷数值关系，计算实际外部载荷；

S5：将步骤S4计算得到的实际外部载荷施加于步骤S1中的有限元模型进行分析，选取应力循环较大的节点进行疲劳寿命估算，从而预测构架剩余寿命，指导列车的实际运行。

2.根据权利要求1所述的一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，其特征在于，步骤S1中建立转向架构架的有限元分析模型，包括网格、材料及边界条件。

3.根据权利要求1所述的一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，其特征在于，步骤S2中外部所需载荷包括转向架构架的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷。

4.根据权利要求1所述的一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，其特征在于，步骤S2包括：

对步骤S1中构建的转向架构架的有限元分析模型施加边界条件和外部所需载荷，列出各力分别为x₁,x₂...x_n，将x₁的值设定为10000N，其余x₂...x_n各力设为0，并进行有限元分析与计算。

5.根据权利要求4所述的一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，其特征在于，步骤S3包括：

S31：选取同施加载荷数量相同的节点作为应力监测点，记录各应力监测点的数值，记作y₁,y₂...y_n，建立应力x₁与y₁,y₂...y_n的方程组，即

由此可解出系数

的值；

S32：重复步骤S2与步骤S31直到x_n的值设为10000N，并计算出

S33：基于在实际工况下转向架构架在各点的应力等于多个外部载荷分别作用时在该点的应力的线性叠加，从而建立输入与输出的方程组关系，外部载荷作为输入，各应力监测点的值作为输出，记为：

简写为BX＝Y。

6.根据权利要求5所述的一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

S41：在轨道列车转向架构架的有限元分析模型分析时的应力监测点位置贴应变片，建立数据采集模块，将实际轨道列车运行过程中的应力进行采集，记在某时刻τ各点的实际应力为y_1τ,y_2τ...y_nτ，通过步骤33得到的公式计算出该时刻外部载荷为x_1τ,x_2τ...x_nτ；其中，模型的应力监测点和实际应力采集点相同；

S42：按照步骤S41的方法计算出一段时间、里程记作d的其余各时刻的外部载荷。

7.根据权利要求6所述的一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，其特征在于，步骤S5具体包括：

S51：将步骤4计算得到的该时间历程的载荷加载到步骤S1所建立的转向架构架的有限元分析模型中进行计算，将步骤S2中所述的x₁,x₂...x_n外部载荷设为通过计算得到的各时刻实际载荷x_1τ,x_2τ...x_nτ；

S52：查看计算结果，选取整个时间段应力较集中的m个计算点，并获取这m个计算点的应力—时间历程，并基于雨流计数法计算m个在这此时间段的疲劳损伤，记为s₁,s₂,…s_m，并根据公式l＝d÷s计算出各点的疲劳寿命，式中：l为疲劳寿命；s为损伤值；

S53：选取步骤S52总应力循环较大的节点进行疲劳寿命估算，从而预测构架剩余寿命，指导列车的实际运行。

8.根据权利要求6所述的一种轨道列车转向架疲劳寿命估算方法，其特征在于，步骤S42中按照步骤S41的方法计算出一段时间、里程记作d的其余各时刻的外部载荷；其中，对于城轨列车，一段时间选取城轨列车一个来回时长。

Images