高速动车组轴箱弹簧疲劳失效机理研究

自哈大高速铁路开通以来,某动车组转向架发生轴箱弹簧断裂故障多起,断口均位于第一工作圈距弹簧端部60mm处,断裂弹簧的平均寿命里程为165万km。本文通过断口形貌分析、弹簧在线载荷识别以及接触应力有限元仿真,对该轴箱弹簧的失效原因进行了分析。断口的宏、微观分析表明,弹簧发生了典型的疲劳断裂。将轴箱弹簧标定为测力弹簧,在运用线路上实测了弹簧垂向载荷和横向载荷时间历程,结果表明,该弹簧运用中未受到超出其动态设计规范的冲击载荷,其垂向和横向载荷均为随机动载荷,其中垂向载荷最大幅值为3.72kN,横向载荷最大幅值为1.18kN。利用ABAQUS有限元程序仿真分析了弹簧接触应力随垂向和横向载荷的变化规律,结果表明,第一工作圈距弹簧端部60 mm处的等效接触切应力值最大,与实际断裂位置相吻合。     

广州地铁某型车转向架轴箱端盖固定螺栓断裂问题分析

广州地铁某型车转向架轴箱端盖固定螺栓频繁断裂,断口呈高周低应力疲劳断裂特征。文章通过研制安装测力螺栓进行测试分析,发现由钢轨波磨激励的车辆轴箱垂向振动是导致该处螺栓疲劳断裂的主因,整治轨道、改善钢轨波磨可以有效改善螺栓受力情况。     

某型地铁车辆设备吊挂刚度与车体模态匹配研究

对某型地铁车辆整备状态有限元模型进行了模态和5～100Hz正弦激励仿真计算,分析设备吊挂刚度对车体地板的振动影响。计算结果表明,车下设备吊挂刚度对弹性车体的各种振动模态均有不同程度的影响;车体空气弹簧位置激励时,地板在不同吊挂刚度时的振动响应主要集中在40Hz以内,合适的设备吊挂刚度可有效的降低地板的振动幅值并增加一阶垂弯频率,吊挂刚度对地板在12Hz以上的振动响应影响不大,同时发现刚性吊挂有助于增加车体的刚度;设备激励时,引起地板振动响应主要集中在20Hz以下,激励频率在车体一阶垂弯模态频率附近时,弹性吊挂刚度小于一定值时才能有效地减小地板振动的响应幅值。     

40Cr钢超高周疲劳性能及疲劳断口分析

采用超声疲劳试验方法研究40Cr钢在105周次～1010周次范围内的疲劳性能,其载荷频率为20kHz。用扫描电子显微镜分析了疲劳断口形貌特征。结果表明,40Cr钢的S N曲线始终保持下降趋势,且随疲劳循环数的增加,在106周次处并没有传统意义上的水平段;107周次疲劳强度为443MPa,1010周次疲劳强度为235MPa,二者存在明显差别;超声疲劳断口的扫描电子显微分析结果表明,40Cr钢超声疲劳断口显微形貌与常规疲劳载荷下的疲劳断口形貌无明显差异,疲劳裂纹在光滑试样表面或近表面材料缺陷处萌生,扩展区断口显微形貌观察到明显的疲劳辉纹。     

基于边界约束刚度参数优化的轨道扣件弹条防断裂设计方法

为了研究弹条服役状态下模态频率与波磨激励频率一致引发的共振断裂问题,建立潘得路FC快速弹条有限元简化模型,通过以弹簧为边界条件模拟弹条不同部位的约束,分析其模态频率随约束刚度的变化规律,提出基于弹条约束刚度参数优化的防断裂设计方法。结果表明:弹条扣压端垂向约束刚度(150～450 N/mm)对弹条第一、三阶模态频率(400、900 Hz)有显著的正相关作用,并对第三阶共振峰幅值有明显影响;弹条后跟下部径向约束刚度(400～1 600 N/mm)的变化,引起弹条第二阶模态频率(660 Hz)的变化,两者呈现正相关关系,同时对弹条第二阶共振峰幅值也有显著影响。弹条第二、第三阶模态频率为危险频率,防断裂设计时应重点考虑。     

基于一系钢弹簧精细化建模的车辆动力学性能研究

为有效地模拟弹簧自身的承载状态及弹簧的故障状态，进而揭示车辆转向架的一系钢弹簧承载力学性能及一系钢弹簧断裂对车辆动力学性能的影响，以某动车组一系钢弹簧为研究对象，采用了一种弹簧本身质量参振的离散模型方法精细化弹簧建模，介绍了弹簧细化模型处理的理论和方法。根据弹簧断裂的实际情况，分析了该动车组一系钢弹簧不同位置的静态及动态承载规律，仿真分析了不同故障工况下，动车组通过直线段和曲线段时的车辆动力学性能。研究结果表明：与外侧弹簧组相比，内侧弹簧组的内、外圈弹簧的静载荷均更大，且内圈弹簧载荷仅为外圈弹簧载荷的1/2左右；在动载荷频率为20～45 Hz范围内，轴箱内侧弹簧的动载荷比外侧弹簧的动载荷大；轴箱外侧外圈弹簧在超员工况下受载最恶劣，外圈弹簧距离弹簧端部1.2圈附近，超员工况下弹簧会和底圈接触且弹簧接触载荷达到3 kN以上；单一一系钢弹簧断裂时，对车辆的平稳性影响较小，但会使车辆的安全性变得恶化，尤其当弹簧中部断裂时，车辆的脱轨系数和轮重减载率会明显增大。     

广州地铁三号线北延段列车一系钢弹簧断裂原因分析及处理

针对广州地铁三号线北延段列车出现的一系钢弹簧大量断裂现象,从断口特性、线路运营条件等方面进行分析,最终通过对短波长钢轨波磨的打磨处理,更换断裂风险高的弹簧等措施,有效抑制了一系钢弹簧断裂故障的发生。     

高速动车组轴箱弹簧有限元分析与特性研究

以高速动车组轴箱弹簧为研究对象,利用软件Hyper Mesh建立弹簧有限元模型。考虑弹簧支撑圈与工作圈在大挠度情况发生接触,对接触区进行网格细化。将该模型导入软件ABAQUS中进行有限元计算分析,通过静应力标定试验进行验证。结果表明,有限元分析结果和静应力标定试验结果比较一致,相对误差在允许范围内,验证了有限元计算模型的正确性。采用有限元分析与弹簧最大应力计算公式相结合的方法,推出轴箱弹簧刚度特性曲线,并通过曲线的线性拟合,得出其刚度值为352.1 N/mm。分析轴箱弹簧发生疲劳断裂位置,获得该位置当量应力与接触应力随弹簧挠度变化的应力曲线,得出最大接触应力为164.6 MPa,验证了接触应力对端部接触区当量应力具有较大影响。因此在制造过程中,可以调节支撑圈与第1工作圈间隙来减少接触应力的影响。     

地铁车型对钢弹簧浮置板道床振动的影响

为了解不同地铁列车作用下钢弹簧浮置板道床的结构动力响应,分别选取隧道埋深、结构等条件类似的已运营地铁线路进行测试与分析。结果表明:相同列车速度下,A型车作用下钢弹簧浮置板道床的钢轨、道床和隧道壁振动加速度级均大于B型车,对邻近区域和建筑的振动和二次结构噪声影响更大,但在评价城市区域环境振动(人体承受建筑物内振动)时,计权后A型车与B型车Z振级较为接近;在A型车作用下,实测钢弹簧浮置板区段的钢轨、道床在1/3倍频程中心频率80~100 Hz和400~630 Hz存在峰值;隧道壁在1/3倍频程中心频率80~100 Hz和400 Hz附近存在峰值。     

地铁高架线曲线段DTⅦ_2型扣件T型螺栓异常断裂研究

针对某地铁高架线曲线段DTⅦ2型扣件T型螺栓(简称T栓)出现异常断裂问题,通过对断裂T栓的金相分析,以及对钢轨动位移、轮轨力、T栓应力、钢轨表面不平顺、钢轨和T栓振动加速度的测试,进行DTⅦ2型扣件T型螺栓断裂研究。结果表明:T栓裂纹位于螺栓一侧的头部与杆部过渡位置,裂纹沿45°向螺栓头芯部扩展,T栓断裂为疲劳断裂;T栓断裂扣件的钢轨—T栓的振动加速度响应传递比在700~800Hz频率处存在振动放大与相位不同步现象;曲线内股钢轨存在较为严重的28mm短波波磨,当车速为75km·h-1时,钢轨振动加速度主频在700~800Hz之间,与T栓振动放大频率耦合。T栓断裂的主要原因为:部分T栓断裂扣件系统匹配状况不良,导致在700~800Hz频率处T栓振动放大,钢轨与T栓振动不同步;钢轨短波波磨诱发钢轨700~800Hz高频振动,T栓振动量级超过钢轨,造成T栓根部应力集中部位疲劳断裂。     

高架箱梁-浮置板轨道系统隔振性能分析

浮置板轨道作为一种减振轨道广泛应用于城市轨道交通中,为研究其在高架线上的隔振性能,建立箱梁-浮置板轨道耦合系统三维有限元模型。利用谐响应分析的方法,分析了箱梁支座刚度、钢弹簧刚度及支撑间距等参数对箱梁结构振动的影响。结果表明:与普通轨道相比,当荷载频率达到20 Hz以上时,浮置板轨道才表现出明显的隔振性能;钢弹簧刚度的变化对高架桥上浮置板隔振性能的影响主要集中在荷载频率为9~15 Hz以内且影响程度较小。钢弹簧的支撑间距对高架桥浮置板隔振性能的影响主要集中在荷载频率为50 Hz以上,其影响程度较钢弹簧刚度变化的影响要明显;荷载频率在50 Hz以内的影响很小且仅在位移峰值处有变化。     

曲线地段钢弹簧浮置板轨道振动 特性试验研究

为探究曲线地段钢弹簧浮置板轨道结构振动特性,分别在钢弹簧浮置板轨道和普通道床的曲线地段进行现场测试,采用短时傅里叶变换对测试数据进行时-频处理,分析轨道结构振动时频特性。相比普通道床,在钢弹簧浮置板轨道中,钢轨和道床板振动幅值增大,振动频率向高频移动;道床板时频分布的峰值频率与车辆类型和激励原因有关;浮置板轨道中,隧道壁垂向加速度级减小23 dB,横向加速度级则增大6 dB,主要表现在8～50 Hz;隧道壁振动受到轨道板横向振动激励和浮置板轨道振动传递特性两者的影响,通过这个角度解释了曲线地段地段浮置板轨道中隧道壁横向振动放大的原因。     

高速铁路减振型无砟轨道扣件弹条疲劳损伤差异性研究

为研究高速铁路减振型无砟轨道扣件弹条疲劳损伤的差异性,以减振型双块式无砟轨道为例,建立车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算168块单元式道床板板端、板中与板尾扣件弹条的疲劳损伤,并对其进行概率统计分析。结论为:(1)板端扣件弹条最大应力较板中扣件增加12 MPa,弹条最小应力较板中扣件减小6 MPa;(2)弹条应力循环中存在两个幅值较大的循环、两个幅值中等的循环和数量较大而幅值较小的循环,板端错台使得板端扣件弹条大循环的应力幅值较板中扣件增加18%,除此之外,还增加一些幅值在10～40 MPa的应力循环;(3)板中扣件弹条疲劳损伤平均值为1.3×10~(-8),板端扣件弹条疲劳损伤平均值为2.0×10~(-7),约为板中扣件的15.4倍,板尾扣件弹条疲劳损伤平均值为4.3×10~(-8),约为板中扣件的3.3倍,需采取措施减小板端、板中和板尾扣件弹条疲劳损伤的差异性。     

高速列车作用下双块式无砟轨道与路基垂向耦合振动分析

针对双块式无砟轨道和路基的结构特点,建立车辆-轨道-路基垂向耦合动力学频域分析模型,模型充分考虑机车车辆、双块式无砟轨道和路基的相互耦合作用。车体、转向架和轮对被视为多刚体系统,一系和二系悬挂用弹簧阻尼元件模拟;双块式无砟轨道和路基系统视为多层叠合梁模型,彼此用弹簧阻尼元件联结。推导双块式无砟轨道和路基系统振动响应的解析表达式,计算得出轨道和路基耦合系统的动柔度特性,结合虚拟激励法提出该模型在轨道随机不平顺激励时动力学响应的求解方法,分析高速列车荷载作用下双块式无砟轨道和路基的随机振动响应及其振动传递特性。研究结果表明:在10～5 000Hz频率范围内,钢轨的动柔度幅值远大于道床与路基的动柔度幅值,而道床动柔度幅值在30Hz以上频段大于路基的动柔度幅值;钢轨振动的能量分布频段较道床和路基要宽,道床和路基振动主要集中于163.9Hz左右频段;对于无砟轨道和路基耦合系统的振动功率,钢轨最大,道床次之,路基最小;道床和路基振动功率在100Hz以上中高频段,衰减比较快,而在100Hz以下低频段,其衰减不明显;在300Hz以上高频段,钢轨-路基间振动衰减较大,其主要原因是受钢轨-道床间振动衰减波动的影响。     

地铁—建筑物合建结构中钢弹簧浮置板轨道基频优选影响因素

结合2个合建工程实例,通过结构的模态分析和钢弹簧支反力的特征分析,研究地铁—建筑物合建结构中钢弹簧浮置板轨道基频优选的影响因素。结果表明:对于不同的地铁—建筑物合建结构,当其竖向自由振动频率在20~80 Hz范围内时,累积的参振质量比例均较高,达50%以上,而在与钢弹簧浮置板轨道基频相近的4~10 Hz竖向自由振动频率范围内,参振质量比例的分布情况却差异较大,这与合建结构的型式和刚度等因素有关;在其他参数不变的情况下,随着钢弹簧浮置板厚度的增加,钢弹簧浮置板的固有频率在向低频移动的同时,虽提高了轨道结构对中高频振动的减振效率,但在钢弹簧浮置板固有频率附近被放大的能量也将随之增加,进而会加大合建结构的低频受迫振动响应。因此对于地铁-建筑物合建结构工程,在选取钢弹簧浮置板轨道基频时,需要综合考虑合建结构型式、结构刚度以及钢弹簧支反力的时域与频域特性。     

基于长期监测的车-桥共振分析

以沪昆下行线湘潭湘江特大桥长期监测数据为基础,研究了桥梁应力、振动与客车通行速度的相关性,重点分析了特定速度下的车-桥共振特性。研究结果表明:桥梁横向和竖向均存在明显的共振现象;应力幅值与客车通行速度散点图为单峰形状,客车运行速度在20～40 km/h时应力幅值较大;动力系数随运行速度的增加而增大,但小于安全限值;客车运行速度为35 km/h和50 km/h时,客车的激励频率与桥梁横向1阶自振频率接近,桥梁易发生横向共振,导致桥梁横向振动响应较大,竖向振动幅值随列车运行速度的增加而增大;当客车以25 km/h通过桥梁时,客车激励频率与竖向1阶自振频率接近,桥梁易发生竖向共振,但其竖向振动不明显,应力响应较为显著。建议车辆应尽量避开以上速度通过该桥。     

推凸质量对钢轨焊头使用性能的影响

对取自成昆线的气压焊和闪光焊接头处的断裂钢轨试件进行了金相、硬度、宏观断口和微观断口分析,以研究焊接接头断裂原因。金相和硬度分析未发现明显异常组织出现和硬度分布,断口分析表明试件均为疲劳断裂,裂纹源位于焊瘤趾部或焊瘤内部靠近轨腰表面处。     

轨道交通桥梁结构噪声影响及治理措施研究

为探讨轨道交通桥梁结构噪声分布规律及评价采取轨道减振措施后的降噪效果,以某轨道交通高架线路为例,采用有限元与边界元相结合的方法分析有无隔振措施时桥梁振动及其引起的结构噪声,其中主要分析钢弹簧浮置板轨道、减振扣件轨道和橡胶减振垫轨道3种轨道减振措施。结果表明:单箱单室箱梁辐射声能量主要集中于31.5~125 Hz,噪声峰值出现在40~63 Hz;列车运行速度越大,桥梁结构噪声辐射总声压级越大;采取隔振措施后结构噪声可降低约5.6~16.6 dB(A),其中钢弹簧浮置板轨道降噪效果明显优于橡胶减振垫轨道和减振扣件轨道。     

加载波形对LZ50车轴钢疲劳裂纹扩展行为的影响

在三角波、正弦波、方波3种加载波形下对LZ50车轴钢紧凑拉伸试样开展疲劳裂纹扩展试验,采用扫描电镜观察断口形貌,并结合试验数据分析加载波形对裂纹尺寸增量和扩展速率的影响。结果显示:加载频率较高时,疲劳裂纹扩展行为对波形的敏感性较低,断口形貌基本相同;加载频率较低时,波形对疲劳裂纹扩展行为的影响增大,断口形貌出现差异;稳态扩展区以疲劳条带为主要扩展机制,三角波加载下的疲劳条带间距明显小于其他2种波形,其失稳扩展区形貌以韧窝为主,且韧窝较其他2种波形下的小且浅。同时,基于LS-DYNA软件和节点位移外推法对CT试样在3种加载波形下的应力强度因子进行计算和分析。结果表明:仿真分析波形对疲劳裂纹扩展的影响机制与试验结果基本一致。     

Q345qD桥梁钢对接焊缝疲劳裂纹扩展性能试验研究

为采用断裂力学方法对既有钢桥焊接细节进行疲劳评估,对6.1,10.0和23.5 mm的Q345q D桥梁钢对接焊缝进行疲劳裂纹扩展速率试验和疲劳裂纹扩展门槛值测定试验,基于两种数据处理方法得到了不同厚度、不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率参数。试验结果表明:在通常的应力强度因子幅值范围(10~70 MPa·m0.5)内,基于单试件数据点的处理结果对应的裂纹扩展速率明显高于基于成组数据点的处理结果;Q345q D对接焊缝的疲劳裂纹扩展速率随应力比增加而增加;本批次的Q345q D对接焊缝的疲劳裂纹扩展性能优于BS7910中给出的通用钢材疲劳裂纹扩展性能;Q345q D对接焊缝疲劳扩展门槛值随应力比增加而降低,并给出了门槛值随应力比变化的公式。