机车柴油机动力链部件动态疲劳分析

动力链部件的耐久性不仅取决于曲柄机构激扰力，而且还受结构部件振动的影响，但这一点往往被人们忽略。本文中介绍了混合分析法，其特点是不把动态负荷看作离散的静负荷，而是根据包括动态结构性能的实时运行条件计算部件耐久性。研究工作是针对一台GE机车的GEV016型柴油机动力链展开的，其包括一台V16型柴油机和一台由它直接驱动的交流发电机。对油底壳和集成式前端（IFE）进行了模拟，并通过测量对模拟结果加以确认。混合分析法综合利用两种广为采用的分析形式——多体分析（MBA）和有限元分析（FEA），以模拟部件动态负荷、组装负荷和热一机械负荷。基于有限元法导出的简缩模型，在多体分析环境下，将相关动力链部件（发动机机体、油底壳、集成式前端、曲轴以及交流发电机壳体）作为挠性体加以模拟。采用这种MBA模型，对若干燃烧循环进行模拟，其中动力链组件的挠性体承受气体力、活塞侧向力、轴承力和交流发电机反作用力矩的激扰。这种模拟方法可以将发动机机体变形和激扰力之间的相互影响加以考虑。还对动力链各部件之间的相互影响给予了足够重视，以逼近实测的发动机振动性能。部件变形可利用模型尺寸系数由动态MBA模拟导出，通过叠加到有限元模型进行转换，结果生成包含三雏应力分布（以时间为自变量）的有限元模型。三维应力分布用于深入的动态疲劳分析，计算应力幅值和平均应力，再求出疲劳安全系数和／或疲劳寿命。为验证计算结果，对测定值和模拟结果进行了对比。动力链在曲轴箱和交流发电机壳体上配有一组加速度计，在油底壳和集成式前端安放应变片。对比结果表明，不论是总变形还是局部应变，都可达到良好的吻合。     

基于线路实测载荷谱的转向架部件振动疲劳分析

为分析轨道交通车辆转向架零部件疲劳断裂的原因,基于某地铁车辆线路试验数据,以转向架实测谱为输入激励,使用频域疲劳分析方法对部件进行振动疲劳寿命分析,同时也采用实测应力进行寿命分析,并与频域疲劳分析方法做对比。其中,分析了正常与异常载荷谱对部件疲劳的影响,探讨转向架零部件结构疲劳失效原因,分析结果可供相关设计与优化参考。     

机车车辆车体用部件机械结构耐久性试验研究

机车车辆车体上安装的部件在工作过程中主要承受振动载荷,作为部件的载体机械结构的可靠性至关重要。对目前被广泛采用的对车体部件可靠性做出相关规定的标准IEC 61373和EN 12663进行分析,在累计损伤等效的前提下推导了随机振动与正弦振动的等效关系,为部件结构设计、可靠性试验提供了多种验证的手段,通过等效关系公式对两个标准中耐久性试验的振动量级进行比较,针对部件结构设计校核、耐久性试验中存在的问题提出了改进建议。     

柴油、重油和气体燃料发动机电子燃料喷射系统的耐久性和长期稳定性

更严格的排放法规不仅要求更高的系统性能（诸如喷射压力的提高以及每燃烧循环喷射次数的增加），还对与燃烧有关的燃油喷射系统及部件的质量水平提出更高的要求，而运营者对于延长大修期的普遍要求又进一步增强了这一趋势。这种趋势在系统早期开发阶段已经加以考虑，而在以后的设计、生产以及使用期内，也必须加以重视。 本文介绍的功率范围为500kW～20MW的模块式DUARAIL系统既包括使用柴油和重油的发动机，也包括使用微量引喷的气体燃料发动机。这种电子控制的燃料喷射系统是为满足高性能要求而与发动机制造厂和最终用户密切合作开发的。为避免产生与设计有关的故障或使性能受限，主要零部件均基于有限元法的应力和温度分析以及流体动力学模拟来进行设计。 喷射系统和部件经过大量试验优化，并通过累计几万小时的耐久试验进行验证。在专门的磨损试验中，在各种液压和热状态下对磨损随时间的变化规律进行了分析。为确认其在实际条件下的功能和耐久性，在最终产品出厂之前，喷射系统先在试验机上运行。 随着发动机部件的磨损，运行参数会逐步改变。为避免喷射参数在大修间隔时间的末期超过其相应的允许值，对部件设计、材料组合和工艺均进行相应的选择，并通过耐久试验对预期性能进行预测和验证，由此获取的信息可用于延长大修期以及用于发动机状态修。 正常运行和总的耐久性以及稳定性的先决条件是良好的零部件清洁度以及在严格控制的高清洁度标准条件下的组装。因此，所有新的和经过整修的高压泵和喷油器的组装和校准工作均在清洁的室内设备上进行。 基于以上原则，有关运行技术条件、维修和大修期的要求均被最大限度地满足。     

地铁隧道开挖与失水引起地表沉降的数值分析

结合深圳地铁大—科区间隧道开挖与失水工程实例,根据有效应力分析方法,建立弹塑性渗流 应力耦合分析理论模型。采用VOF(VolumeofFluid)方法来跟踪非稳定渗流场的动态自由水面。开发相应的数值模拟分析程序,对实际隧道工程的动态开挖过程和失水过程进行仿真模拟,对失水过程中的不稳定渗流场进行详细分析,得出动态变化的地表沉降曲线。结果表明,计算值与现场测量值能够较好地吻合。     

曲轴制造工艺的革新——新一代曲轴淬火工艺

曲轴制造是发动机零部件制造商公认的难题。一方面,轿车、卡车和船用发动机制造商持续要求降低成本;另一方面,对性能的要求越来越高。现今的曲轴必须具有足够的强度和刚度,以承受由现代发动机产生的极端负荷,同时,还必须减少自重、外形尺寸和振动。所有这些必须以不牺牲曲轴的抗磨损性和抗疲劳性能为前提。因此,零部件制造商正在竭力研发曲轴制造工艺,以满足更低成本和更高性能的双重要求。     

利用虚拟发动机进行发火次序优化

现代发动机机械负荷和热负荷不断增大,迫切需要在多个方面大范围地对发动机结构进行优化。许多发动机零部件的开发过程是由计算机仿真支持的,目前这类开发技术相当先进和成熟,高度优化的产品不断涌现。不过,有些设计变量的优化(诸如发火次序)对发动机运行的影响涉及多个学科,目前仍具挑战性。在施加高燃烧压力的情况下,多缸商用发动机发火次序的合理布局对于减轻曲轴乃至整机振动和减轻主轴承负荷是一种有效的手段,与此同时,还能在保持进、排气系统良好流体动力学特性的情况下控制发动机的平衡。推荐的四冲程柴油机通用发火次序选择方法(尤其是其第一部分—基于曲轴系统扭转振动的发火次序优化法)是文章主题。德国FEV公司开发专用算法,为预定的曲轴布局产生一系列发火次序,然后针对其结果进行发动机仿真。此种方法可减少理论上可能的发火次序方案数,只剩下与给定发动机设计边界相符且技术上可行的方案。最后,对每种给定发火次序的影响,利用多准则优化技术(例如所推荐的愿望指数法)进行分析评估。针对典型的发动机结构和曲轴布局,给出技术上可行的发火次序方案数,是上述算法的一种进一步改进。文章介绍了确定发火次序方案数的方法,并以V16商用柴油机为例,介绍了发火次序对曲轴扭转振动的影响。     

自重初应力对格构柱高墩-连续板梁桥动力特性的影响

以宁波火车南站枢纽改造工程临时铁路桥(宁波桥)为研究对象,探讨自重初应力对格构柱高墩-连续板梁桥的全模态和缩聚模态的影响。在考虑自重初应力与不考虑自重初应力2种情况下,分别采用子空间法和缩聚模态法,求得宁波桥包含局部振动的全局模态和仅考虑整体振动的缩聚模态。分析结果表明:自重初应力对宁波桥动力特性的影响主要体现在影响轴向受力构件的局部模态,对整体振动模态几乎没有影响;2种情况下局部振动模态的频率差别很大,振型也有所差异;而整体振动模态的固有频率几乎是一一对应相等,振型也是一一对应相同。该结论对恒载自重初应力较大的桥梁动力特性分析有指导意义。     

GE公司GEVO柴油机的开发

美国GE公司运输分部开发了一种新型柴油机以满足下一阶段的排放和燃油经济性要求。该型发动机的开发始于1998年,其包括GE公司现有发动机的最佳特性以及新发动机技术的最新发展。它将首先应用于自2005年起新造的符合美国环保局2级排放标准的内燃机车。GEVO12缸发动机在1050r／min下的标定功率达到3360kW,这相当于原来的一台7FDL16缸发动机所达到的功率水平。发动机的缸径为250mm,行程为320mm。这导致了采用约2．0MPa的较保守的平均有效压力。美国机车的2级排放标准较之0级和1级排放标准在降低NOx和颗粒物质排放方面具有特殊要求。为了达到NOx排放标准而对现有发动机作进一步调整势必造成燃油经济性的巨大损失。为此,GE公司运输分部正通过开发一种新型发动机来满足2级排放标准要求,新型发动机将不仅能满足排放要求,而且在燃油经济性方面较之现有发动机亦将有较大改进。发动机的性能开发包括燃烧模拟、系统模拟和优化。应用统计学方法对燃油喷射系统进行了优化设计以保证高效和可靠的运行。涡轮增压器设计采用了先进的空气动力学和结构模拟以获得高的效率和安全性。单缸机和多缸机的性能试验进一步改进了燃烧系统。采用一个严格的可靠性设计(DFR)程序对每个系统和部件的可靠性进行了评估。通过将尺寸和强度变量与整个环境范围内的工作应力进行比较,保证了关键零部件的可靠性。通过在高加速条件下进行广泛的耐久性试验,验证了发动机的可靠性。在2005年投入大规模生产之前,50台针对2级排放标准的机车将进行广泛的现场试验以进一步考察和改进发动机的可靠性。     

部分斜拉桥主塔鞍座区局部应力分析

通过对一座部分斜拉桥主塔鞍座处局部应力分布的有限元计算分析,说明部分斜拉桥主塔鞍座处局部应力的分布特征。依据鞍座处局部应力影响范围很小的特点,提出设置螺旋筋和索孔端部镶嵌预埋钢板的局部设计补强措施,避免在索鞍下出现危及结构耐久性的有害裂缝。     

机车车辆焊接结构疲劳分析关键问题研究

为确保铁道机车车辆各焊接承载部件在整个寿命期间安全可靠,在分析国际上对动态承载焊接结构疲劳研究的基础上,提出机车车辆焊接部件疲劳分析应明确的各类关键问题.主要包括焊接结构的疲劳特征、应力分析原则和应力谱的确定、疲劳评定方法和强度数据的选取、累积损伤准则的实际应用及多轴疲劳的处理方法等.疲劳理论经典算法表明,上述关键问题的较好解决将有助于大幅地提高疲劳分析精度,将其应用于结构设计可保证焊接承载部件具有足够的疲劳强度.     

新一代ST27系列高压比径流式涡轮增压器

大中型柴油机（尤其是使用重油的发动机）未来发展的最大挑战将是满足更加严格的环保要求,涡轮增压系统通过提高压比和效率可为这种发展提供最有力的保障。KBB公司的HPR系列涡轮增压器自问世以来,一直是市场上的佼佼者。KBB公司将以其新的ST27系列径流式涡轮增压器继续应对这种挑战。在HPR系列成功的基础上,新的ST27系列涡轮增压器将压比提升到5．5,仍维持很高的总效率。为满足发动机新的需求,ST27系列在HPR系列基础上扩展了两种规格,因而可适用于功率范围为300～4800kW的气体燃料、柴油和重油发动机。然而,ST3-ST6型增压器的外形尺寸与HPR3000--HPR6000型增压器的保持相同。ST2型增压器设计用于较小的体积流量,而S1_7型增压器则针对较大的体积流量设计。ST27系列增压器已经投放市场,其整个系列将于2010年年底前推出。本文将介绍ST27系列涡轮增压器主要部件的开发,诸如轴承和压气机设计,包括为采用新的空冷系统而进行的旋转叶轮的温度测量。在涡轮增压器试验台和发动机试验台上成功地进行了广泛的性能鉴定试验。本文将详细介绍径流式涡轮叶轮的开发过程。高转速和高温,尤其是叶片振动,使得涡轮叶轮成为涡轮增压器中最关键的一个部件。然而,用于开发的时间又很短。有效而又快速的设计和评价工具可最大限度地减少样机制作和试验的工作量,在设计过程中了解可能发生的最大振动应力是非常重要的。因此,通过一种简单的激振模型提供了一种对径流式涡轮叶片振动应力进行估算的方法。在设计过程中,叶片之间的几何差异引起的失谐效应导致了进一步的不确定性。本文介绍这种由几何因素造成的叶片失谐形成的效应以及由此引起的对峰值振动应力影响进行的模拟与分析,并给出相应的叶片振动的测量结果。     

随机振动疲劳分析方法在高速铁路车辆上的应用

铁路车辆转向架上的某些零部件受到的随机振动激扰易引发结构共振而导致疲劳破坏,这种振动疲劳与结构动力学、随机振动和疲劳损伤理论都密切相关。文章依据武广线上实测的加速度激励谱,根据Dirlik模型对某高速动车组辅助安装座进行了随机振动疲劳评估,找到了结构的薄弱位置,其疲劳寿命满足2000万km的运营要求。频域振动疲劳分析方法考虑了结构的动态响应,可以用.于高速动车组转向架零部件结构的疲劳评估。     

钢轨轮廓全断面高精度动态视觉测量方法研究

在高速动态条件下获取准确的钢轨轮廓检测数据是钢轨维护面临的重要现实问题。本文在分析国内钢轨轮廓检测现状和借鉴国外钢轨轮廓检测经验基础上,对钢轨轮廓全断面动态检测技术进行系统研究。详细推演钢轨轮廓全断面视觉测量方法,建立内外侧钢轨轮廓测量视觉传感器全局测量模型;分析动态检测中车辆振动对钢轨轮廓检测的影响,探明车辆不同类型振动对钢轨轮廓测量误差影响规律,提出基于正交分解的车辆多自由度振动解耦和补偿方法;研制钢轨轮廓全断面动态检测装置,并进行静态标定试验和动态测量试验,试验结果验证方法切实可行。     

基于LabVIEW的车辆零部件应力应变测试系统

以LabVIEW软件为开发平台,结合NI的硬件实现了应力应变信号数据采集分析;利用LabVIEW的振动疲劳分析包FatigueStartUpKits,通过对试验测试、计算机仿真以及试验与计算机仿真混合模拟的方法,比较分析确定动应力时间历程的选择;利用多数据采集卡的协同工作,实现多通道数据采集,搭建了基于虚拟仪器的轨道车辆零部件疲劳强度测试分析系统,为轨道车辆零部件的相关试验测试分析提供准确的测量手段。     

钢轨波磨对地铁车辆动态行为影响试验研究

调查并测量了某地铁线路科隆蛋减振轨道钢轨波磨的情况,现场测试了该地铁车辆通过严重波磨轨道时车辆各部件子系统的振动特性,分析了钢轨波磨对车辆动态行为和车辆运行品质的影响情况。研究结果表明:地铁车辆通过波磨严重的科隆蛋减振轨道时,车辆各部件垂向振动剧烈;40mm主波长波磨通过频率在轴箱、构架、和车体地板的垂向振动频谱中均有十分明显的体现,该波磨对车辆的动态行为和运行品质有很大影响;经典的垂向舒适度指标已不能很好地用于评价频率较高的短波长波磨对列车运行品质的影响,建议在后续的研究中,结合实际情况制定出高频振动显著的客车运行平稳性评价标准。     

焊接残余应力对钢结构疲劳性能影响研究

针对机车车辆各焊接承载部件的结构疲劳性能,在广泛参考和借鉴国际上动态承载焊接结构的疲劳研究成果,并对各种现行国内外工业设计标准或规范进行对比研究的基础上,主要就焊接残余应力的结构疲劳性能影响及其考虑方式相关内容进行了详细和深入的探讨.明确在机车车辆各焊接承载部件的焊缝接头疲劳设计、强度评定及寿命预测分析中,必须重视焊接残余应力的疲劳影响作用,并应依据实际结构几何及焊缝接头形式、承载特点、残余应力真实分布等因素,采取适当方法予以合理考虑.     

基于表面外推的热点应力法平板焊趾疲劳分析研究

针对传统名义应力整体法在焊接板结构疲劳分析应用中的实际困难,全面介绍和分析应用于海洋结构工程领域的基于表面外推的热点应力局部法.对热点应力法基本原理、热点应力表面外推确定技术、热点局部区域有限元建模原则、应力梯度影响热点应力修正、多轴应力疲劳考虑及热点应力S-N曲线选用等内容进行详细论述,总结出基于表面外推的热点应力局部法在实际工程各环节的合理实施方式及适用的设计数据,并明确了其局限性.由于板梁焊接结构的相似性,故认为广泛应用于海洋结构工程中基于表面外推的热点应力疲劳分析方法在铁道行业桥梁、机车车辆等领域有参考和借鉴价值.     

拉氏分析方法及强动荷载下水泥石的本构关系

拉格朗日（简称拉氏）分析方法是本世纪７０年代初提出的研究材料动态行为性能的一种新方法，本文对拉氏分析方法的基本原理作了简要介绍，通过在轻气炮上测量到的多组水泥石动态应力时间历程曲线，利用拉氏分析方法中的曲面拟合法对实测应力波形进行数值模拟，得到了水泥石大量本构关系曲线，并分析了本构关系的物理特征。     

基于多轴准则的焊接构架疲劳强度分析方法

根据节点几何特征,提出焊缝坐标系的建立方法,计算节点在焊缝坐标系下的应力分量。参照DVS1612标准,提出基于多轴准则的结构疲劳强度分析方法。对地铁车辆转向架焊接构架典型焊缝的疲劳强度进行评估,指出所研究焊缝的疲劳强度主要受正应力分量的影响,剪应力对结构疲劳强度的影响较小。对比研究了不同分析方法下的节点材料利用度特征。结果表明,在压缩应力占主导的区域,基于多轴准则的分析方法将使评估结果偏于安全;对于抗疲劳能力较差的接头,基于多轴准则的分析方法,采用DVS 1612标准提供的疲劳曲线将获得偏于保守的计算结果。