基于频域结构应力法的牵引电机结构振动疲劳分析

牵引电机是动车组动力输出的核心部件。近年来,随着我国动车组运行速度的不断提升,激励载荷频率也随之提高。为保证产品设计的可靠性,牵引电机焊接结构在高频载荷激励条件下的疲劳性能亟待研究。为研究某转向架的侧悬挂式牵引电机结构焊缝疲劳,引入频域结构应力法,设计相关焊接小试件,采用直耦式电动振动试验系统,基于IEC 61373标准2010版本中的随机加速度载荷谱进行随机振动疲劳试验。考虑焊接结构局部细节对其疲劳寿命的影响,建立带焊缝细节的电机壳体有限元模型,采用频域结构应力法对电机壳体结构的疲劳寿命进行预测与评估。研究结果表明：在频域结构应力法采用中值主S-N曲线,结构阻尼系数取0.02计算的疲劳寿命与试验结果比较接近,且疲劳开裂的起始位置也与试验一致。该电机壳体结构的关键焊缝均满足IEC 61373标准中规定的抗疲劳性能要求。该电机结构在实际随机振动疲劳试验过程中未出现焊缝疲劳失效现象,试验结果与分析评估结果一致,验证了电机常用材料Q345E钢结构阻尼选值的合理性及频域结构应力法的有效性,说明频域结构应力法可为我国电机焊接结构的抗疲劳设计提供有效的技术支持。     

转向架非主体结构件模态频率规划与设计验证

针对转向架非主体结构件进行模态频率规划及试验、仿真的方法以解决共振疲劳问题。首先梳理了车轮多边形、钢轨波磨、轨枕通过、P2共振等轮轨激振频率作为频率优化的边界条件并与IEC 61373中的试验频率范围进行了差异对比，给出了构架上设备大于100 Hz和轮对上设备大于250 Hz的模态频率一般建议，并建议基于线路主激振频率按1.414或1.19作为频率间隔参考系数进行模态频率优化。另外对比了某转向架天线梁实测振动量级高于IEC 61373的功能振动试验，说明了车轮多边形对振动量级的影响很大，建议优先采用实测振动量级进行试验并给出了试验方法，并针对缺少实测数据的情况给出了一种基于IEC 61373标准放大的试验量级。最后给出了采用Workbench进行仿真计算的方法，结合转向架管夹座优化示例，通过模态频率计算、随机振动仿真对比分析了结构优化方案的选择，从而实现提高结构寿命的目标。     

动车组撒砂装置振动规律及影响因素线路试验研究

为探究动车组撒砂装置在实际运营条件下的振动疲劳特性，开展撒砂装置及构架端部的振动加速度和应力线路测试；研究不同运行线路、车轮镟修前后和不同速度工况下撒砂装置的振动和应力传递规律，分析轮轨激励影响；基于实测应力，计算疲劳关键点在1 500万km应力谱下的疲劳损伤。结果表明：撒砂装置及构架端部的垂向振动水平最高；京广线某区间撒砂装置的垂向振动加速度和应力能量峰值均约为广深线某区间的3.8倍；镟轮后撒砂装置的振动加速度和构架端部应力能量峰值可分别降低约67%和68%；撒砂装置振动加速度和应力较高的主要原因为轨道板周期性不平顺冲击，主频约为66.9 Hz，与轨道板冲击振动频率和结构的1阶固有频率相近；基于某线路区间应力数据获得的构架端部焊缝测点1 500万km损伤大于1，若动车组长期在该恶劣工况下运行，结构将可能出现振动疲劳失效。     

撒砂装置振动疲劳寿命评估研究

在轨道车辆实际运营过程中，经过准静态疲劳校核后的结构会出现由于随机振动疲劳而导致结构失效的现象。基于此，文章以动车组撒砂装置为例，分别基于标准IEC 61373中定义的各方向轴箱加速度功率谱和基于实测数据的考虑多特征频带的平直谱作为载荷输入，结合时域法、Dirlik法、Lalanne法、Rayleigh法和Zhao-Baker法对动车组撒砂装置振动疲劳寿命进行了评估。结果表明，在4种频域法结构损伤的计算结果中，Zhao-Baker法和Dirlik法与时域法损伤计算结果较为接近，而Lalanne法和Rayleigh法相差较大，说明Zhao-Baker法和Dirlik法对撒砂装置结构损伤计算较为准确，可以用于动车组撒砂装置的随机振动疲劳研究。另外，相比实测线路数据，标准IEC 61373中定义的功率谱高估了低频范围的撒砂装置服役载荷幅值水平，而忽略了大于500 Hz频率范围对撒砂装置疲劳强度的影响。     

某轨道货运罐式集装箱结构随机振动疲劳分析

罐式集装箱结构主要采用钢结构焊接而成,而焊缝是整个结构中疲劳相对薄弱的位置,如何在设计阶段评估该罐式集装箱焊接结构的疲劳可靠性是个难题。文中首先建立带焊缝细节的罐式集装箱结构有限元模型,基于IEC 61373-2010标准中的模拟长寿命随机振动载荷谱,引入网格不敏感频域结构应力法,分析随机载荷下罐式集装箱结构关键焊缝抗疲劳性能,结果显示该集装箱结构的关键焊缝结构满足纵向、横向、垂向3个方向各5 h随机载荷谱作用下总损伤小于1的要求。频域结构应力法,可以考虑结构的随机振动能量频域分布对焊缝疲劳寿命的影响,同时方便找出与焊缝疲劳寿命密切相关的关键模态,能够为轨道车辆焊接结构的设计与优化提供技术支持。     

轴箱垂向振动加速度对轴箱端盖螺栓疲劳寿命影响仿真研究

以轴箱垂向振动加速度为输入激励,通过建立带精细螺纹的轴箱端盖螺栓连接结构三维有限元模型,获取螺栓危险位置应力时间历程.基于Brown-Miller疲劳损伤准则,应用多轴局部应力应变法估算不同轴箱垂向振动加速度下轴箱端盖螺栓疲劳寿命.结果 表明:随着轴箱振动加速度幅值的增加,螺栓疲劳损伤将大幅增大,疲劳寿命随之急剧减小,...     

基于动态服役性能的制动夹钳单元强度评价研究

针对制动夹钳单元的结构强度,根据IEC 61373—2010中对冲击和振动等的相关服役性能要求,提出了一种结合极限动态工况强度校核和随机振动疲劳损伤校核的综合评价方法。利用该方法对某型动车组用制动夹钳单元关键承载件的最大冲击应力响应和随机振动疲劳损伤进行了分析,并通过相关试验验证了该方法分析的有效性。     

基于雨流计数法的转向架结构疲劳寿命评估

为验证轨道交通车辆转向架构架服役条件下的安全性,对转向架构架各工况下的工作状态进行仿真分析,得到转向架构架的薄弱点位,并以此为依据对转向架构架布置应力传感器测量构架各点位的实际疲劳应力。依据雨流计数法对转向架构架各测点的实测数据进行处理,得到转向架构架各测点的16级载荷应力谱,利用该载荷应力谱根据线性累积损伤理论对转向架构架的疲劳寿命进行寿命评估,可为同类车辆结构的疲劳寿命评估、设计优化和使用维护提供参考。     

对IEC 61373中模拟长寿命试验量级的分析

从疲劳损伤模型的选择上,对比分析IEC 61373《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》2010版和1999版中模拟长寿命试验量级的差异性,对IEC 61373:1999中试验量级高于IEC 61373:2010的原因给出理论依据和解释。认为IEC 61373:2010更加符合机车车辆实际运行环境,试验检测时可避免过度试验对设备造成的损坏。据此提出对机车车辆设备模拟长寿命试验量级的选择建议和对标准的修订建议。     

高速列车转向架构架结构的疲劳可靠性模型

为了准确评估高速列车转向架构架的疲劳可靠性,通过转向架构架相同材料焊缝结构的多级小样本疲劳试验数据,得到指定寿命下疲劳强度分布的概率密度函数;采用双参数雨流计数法,根据实测构架结构的复杂随机应力—时间历程曲线编制构架的应力谱,再按照Miner准则和疲劳损伤等效原则计算对应的恒幅对称循环等效应力,并由此拟合得到高速列车服役寿命下等效应力分布的概率密度函数;根据得到的构架疲劳强度分布函数和等效应力分布函数,以等效应力小于疲劳强度为疲劳破坏判据,建立高速列车转向架构架的等效应力—疲劳强度可靠性模型。以某型高速列车转向架构架横侧梁连接处为对象,基于焊接结构疲劳试验和长期跟踪测试试验数据,对模型进行验证。结果表明:模型可用于评估构架的疲劳可靠性,可为焊接构架结构的进一步优化及全寿命周期管理提供依据;该型高速列车转向架的构架结构在1 200万km总运行里程的服役寿命下,其可靠度达99.36%,安全系数较高。     

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。     

基于主S-N曲线方法的冷却单元支架随机振动疲劳分析

IEC 61373标准规定轨道车辆安装设备应当进行模拟长寿命随机振动条件的疲劳评估。为了克服名义应力方法在确定接头疲劳等级时具有较强的人为随意性的缺点，文章首次将主S-N曲线与Steinberg三区间法相结合，对时速350 km标准动车组牵引变流器冷却单元支架结构的关键焊接接头进行了随机振动疲劳数值分析。计算结果表明，冷却单元支架的最大疲劳损伤为0.863,位于立柱与小横梁之间的焊接接头，疲劳强度满足要求。通过分析多条典型焊缝发现，焊缝疲劳损伤主要由单一方向的振动工况主导，并且低频模态的贡献较大。文章提出的评估流程充分利用了上述2种方法的优点，可以对焊接接头进行可靠的疲劳评估，可为结构设计方案的确认提供理论依据。     

某地铁转向架构架端部开裂机理及分析

针对某B型地铁在正常运营过程中发生转向架构架端部开裂问题,文中采用运营模态分析和线路试验开展断裂机理研究。首先文中基于PolyMAX方法识别出构架在实际运营中的工作模态,其中构架端部存在频率为222.9 Hz,阻尼比为0.72%的纵向摆动固有模态;然后通过分析轴箱、构架端部加速度和动应力时频特性以及对典型区间轨道调查发现,车辆以60 km/h的运营速度通过含有波长为80 mm钢轨波磨的弹性短轨枕区段时,构架端部与轨道固有频率重合,从而导致结构共振引发疲劳破坏;在相同工况条件下,构架端部安装加强筋改进后的结构,其振动加速度和动应力均比原方案减小90%左右,同时对改进前后构架端部进行寿命评估,结果表明安装加强筋后的构架端部损伤值大幅降低,满足转向架的使用寿命要求。     

构架弹性振动对疲劳寿命影响研究

近年来国内地铁车辆转向架构架多次发生弹性振动问题,弹性振动对构架疲劳寿命的影响已引起高度关注。现对国内某型地铁车辆转向架构架动应力进行测试并对数据进行时域和频域分析,得到了构架上发生弹性振动测点的动应力特点;在建立构架有限元模型的基础上,计算了构架自由振动频率,结果表明构架实际线路运用中弹性振动频率与其某阶固有频率一致;对测试数据采用去除振动主频率的方法,得到去除弹性振动后测点的动应力时间历程及分布特性,结合雨流计数法、S-N曲线并应用Miner线性疲劳累计损伤理论,得到发生弹性振动和去除弹性振动情况下构架上不同部位测点的等效应力幅值及疲劳寿命,进而获得构架弹性振动对疲劳寿命影响特性。研究结果表明,发生弹性振动后,构架局部位置疲劳寿命将大幅下降,可降至原设计寿命的1/3。     

基于虚拟样机技术的机车车辆结构疲劳寿命仿真

提出一种多体系统仿真和有限元分析相互结合进行虚拟样机疲劳寿命预测的方法.该法用于处理随机动载荷作用下转向架构架的疲劳设计.作用在复杂结构上的时变动载荷历程可以通过应用多体系统分析软件SIMPACK的多体仿真技术获得.在ANSYS中利用单位载荷作用下的准静态应力/应变分析技术计算结构危险节点应力及关键区域.模态分析技术用来获得结构固有频率和模态振型.基于危险应力状态(包括单轴,成比例和非比例多轴)、动载荷时间历程以及Palmigren-Miner损伤理论.最后利用FE-FATIGUE软件的安全强度因子分析法进行标准时域的结构疲劳寿命预测,其中包括应力应变的循环计数,损伤预测和最终寿命估计.     

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。     

车轮多边形激励下高速转向架构架振动特性分析

车轮多边形通过轮轨接触产生高频激励,会加剧高速转向架的振动、恶化结构部件振动环境,显著影响高速车辆的动力学性能和疲劳寿命。建立了考虑柔性轮对与构架的高速车辆刚柔耦合动力学模型,并开展台架试验验证,通过仿真探究前后轮对多边形相位差、多边形激扰频率与波深对构架振动特性的影响。结果表明：双轮对车轮多边形激励下的构架振动响应大于单轮对激励,但在激励引起构架结构模态共振时二者之间的差距会减小;前后轮对多边形的相位差会引起构架振动的相位差,但对振幅大小无明显影响;在同一激扰频率下,多边形波深越大,构架的振动越大。本研究可为多边形产生和传播机理及抑制措施提供参考。     

实施国家标准《轨道交通 机车车辆设备冲击和振动试验》的探讨

GB/T 21563—2018《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》修改采用IEC 61373:2010《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》,同时引用了IEC 61373:1999 《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》中的加速度比例系数,即GB/T 21563—2018中有2种模拟长寿命振动试验量级,执行标准时需要根据实际情况裁剪使用加速度比例系数。通过梳理动车组、机车、客车、货车及地铁车辆等相关标准中引用冲击和振动试验标准的情况,分析试验频率、加速度有效值等易引起争议的参数,为用户、制造商及试验机构编制冲击和振动试验大纲提供参考。     

基于多体动力学和有限元法的车体结构疲劳寿命仿真

提出一种多体动力学仿真和有限元法相互结合进行结构疲劳寿命预测的方法,并以机车车体结构为例进行了疲劳寿命计算。利用SIMPACK的多体仿真技术获得车体结构的动载荷历程;在ANSYS中利用准静态应力/应变分析法计算结构危险节点应力影响因子;根据模态分析技术确定车体结构固有频率和模态振型以及危险点位置。最后,基于动应力历程以及Palmigren-Miner损伤理论,利用FE-FATIGUE软件的基于应力的结构安全因子分析法对车体结构进行疲劳寿命预测,其中包括应力应变的循环计数、损伤预测和最终寿命估计。     

动车组天线梁随机振动疲劳寿命评估

为对动车组天线梁的随机振动疲劳寿命进行评估,首先,建立天线梁及构架结构有限元模型,并对其分析得到天线梁的固有频率;然后,利用软件编程得到德国低干扰轨道不平顺自功率谱,再根据自功率谱得到各轮对间互功率谱;最后,在有限元分析软件中对各轮对进行激励加载,采用模态叠加法对天线梁进行随机振动疲劳寿命分析,得到结构疲劳寿命薄弱位置。