大秦線貨車搖枕載荷譜編制及應(yīng)用

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1、1緒論1．1選題背景在我國(guó)鐵路運(yùn)輸跨越式大發(fā)展的環(huán)境下，我國(guó)鐵路貨運(yùn)也不斷朝著重載的方向發(fā)展。大秦鐵路是我國(guó)建設(shè)的第一條煤炭運(yùn)輸專用雙線電氣化鐵路，也是世界上年貨運(yùn)量最大的鐵路線。大秦線沿線隧道多、坡道大，線路、地形復(fù)雜。目前，大秦線普遍運(yùn)用C80型和C80B型重載運(yùn)煤敞車，開(kāi)行了2萬(wàn)噸編組的重載列車。在工程結(jié)構(gòu)與機(jī)械設(shè)備中，疲勞破壞的現(xiàn)象極為廣泛，普遍存在于每個(gè)運(yùn)動(dòng)著的零部件上。搖枕是鐵路貨車轉(zhuǎn)向架主要承載部件之一，在使用過(guò)程中承受著復(fù)雜的拉、壓、沖擊、彎曲等交變載荷作用，其主要失效形式是疲勞破壞。另外，車輛運(yùn)

2、用中難免出現(xiàn)的偏載、超載、輪對(duì)擦傷等因素會(huì)使搖枕的受力狀況惡化，加劇了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致疲勞失效問(wèn)題的發(fā)生l¨。載荷譜是進(jìn)行機(jī)車車輛承載零部件強(qiáng)度和疲勞壽命研究的重要依據(jù)之一，對(duì)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞壽命估計(jì)和疲勞設(shè)計(jì)具有重要的意義【2l。因此，對(duì)大秦線2萬(wàn)噸重載列車的轉(zhuǎn)向架搖枕的疲勞問(wèn)題進(jìn)行研究，獲得適合我國(guó)線路條件的搖枕載荷譜，進(jìn)而用于搖枕等結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)與壽命評(píng)價(jià)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)鐵路的自主創(chuàng)新具有重大意義。1．2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題較早就開(kāi)始了研究，對(duì)于載荷譜的研究也很深入。美國(guó)、日

3、本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量的人力和物力，對(duì)飛機(jī)、汽車等機(jī)械產(chǎn)品的整機(jī)、各部件總成和零部件進(jìn)行空中飛行試驗(yàn)和道路試驗(yàn)測(cè)定，獲得大量的載荷譜數(shù)據(jù)，并加以標(biāo)準(zhǔn)化，提供給研究疲勞的學(xué)者進(jìn)行深入研究。他們憑借先進(jìn)的試驗(yàn)和分析手段，從疲勞的微觀機(jī)理和宏觀特性兩個(gè)方面進(jìn)行研究，取得了非?？捎^的成果。美國(guó)的SAE，ASTM以及日本的JAE和德國(guó)LBF等研究機(jī)構(gòu)，每年都發(fā)表許多有關(guān)這方面的學(xué)術(shù)論文。他們的研究成果促進(jìn)了疲勞理論的發(fā)展與工程應(yīng)用【3l。在鐵路上，美國(guó)曾于80年代采用線路實(shí)測(cè)的方法對(duì)萬(wàn)噸重載列車的載荷譜進(jìn)行深入細(xì)致

4、的研究，并將研究結(jié)果納入AAR機(jī)務(wù)規(guī)程，為重載列車的設(shè)計(jì)提供依據(jù)[41。我國(guó)鐵路對(duì)轉(zhuǎn)向架搖枕的疲勞問(wèn)題研究開(kāi)展得較晚，目前尚處于起步階段，與國(guó)外相比還有一定的差距。目前國(guó)內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)向架的搖枕進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的依據(jù)是TBl959《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗(yàn)》，這個(gè)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是按照美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)AAR有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的，由于我國(guó)和美國(guó)在線路狀況和車輛運(yùn)用條件以及鑄造工藝的要求等方面存在很多的差異，因而在進(jìn)行構(gòu)件疲勞壽命分析時(shí)的一些關(guān)鍵性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如載荷譜和S-N曲線等，尚需根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況或?qū)崪y(cè)或選擇合適模型自己完成【5

5、】。1．3論文主要內(nèi)容本文以在大秦線上實(shí)測(cè)的搖枕載荷為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到了實(shí)測(cè)的載荷譜，并在此基礎(chǔ)上研究了搖枕的疲勞壽命。主要內(nèi)容包括：1．在大秦線上測(cè)試搖枕的心盤載荷和旁承載荷，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到搖枕的心盤載荷譜和旁承載荷譜，對(duì)特殊工況下的載荷變化規(guī)律進(jìn)行了分析。2．建立搖枕的三維幾何模型，并劃分網(wǎng)格建立有限元模型，利用ANSYS軟件分另IJ計(jì)算搖枕在心盤載荷和旁承載荷下的應(yīng)力響應(yīng)，找到了搖枕的疲勞危險(xiǎn)部位。還利用ANSYS軟件對(duì)搖枕進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了搖枕的固有頻率及其振型。3．在疲勞試驗(yàn)

6、機(jī)上對(duì)搖枕材料試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到了材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命，并以此推斷出材料的P．S．N曲線。4．應(yīng)用實(shí)測(cè)載荷譜計(jì)算搖枕疲勞危險(xiǎn)部位的損傷，并估算壽命。5．應(yīng)用實(shí)測(cè)的載荷時(shí)間歷程計(jì)算疲勞危險(xiǎn)部位的總應(yīng)力時(shí)間歷程，并計(jì)算損傷及壽命。將以上兩種方法計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了兩種計(jì)算方法所得壽命相近的結(jié)論。22大秦線搖枕載荷測(cè)試2．1搖枕載荷測(cè)試通過(guò)對(duì)大秦線重載貨車搖枕載荷的線路實(shí)測(cè)，建立符合重載貨車運(yùn)用和設(shè)計(jì)的載荷譜，為形成重載貨車的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范和試驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。2．1．1測(cè)力搖枕的制作搖枕載荷上

7、的載荷通過(guò)測(cè)力搖枕來(lái)獲得。搖枕心盤主要承受垂向載荷，由于車輛的側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，心盤載荷的作用位置會(huì)偏離心盤中心，產(chǎn)生一個(gè)力矩。因此，心盤測(cè)力傳感器不僅要測(cè)試出心盤載荷的大小，還要測(cè)試出心盤載荷的等效作用位置。為了測(cè)得心盤載荷的作用位置，在心盤內(nèi)布置四對(duì)測(cè)力傳感器，分別距離心盤中心60n腱n和130m，測(cè)力心盤傳感器組件如圖2-1所示。圖2-l測(cè)力心盤傳感器Fig．2-1Force-measuringSensorofcentreplate旁承主要承受垂向載荷，鑒于車輛運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜性，旁承載荷的等效作用力并不是作用于旁承

8、的中心，因此，要求測(cè)力旁承傳感器能夠測(cè)試出旁承的垂向總載荷，測(cè)力旁承傳感器見(jiàn)圖2-2。圖2-2測(cè)力旁承傳感器Fig．2-2Force-measuringsensorofsidebearing3不影響轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能，并按照TB／T1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)與疲勞強(qiáng)度評(píng)估，結(jié)果表明專用搖枕的強(qiáng)度滿足要求。測(cè)力搖枕的基本原理