大秦线货车摇枕载荷谱编制及应用

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1、1绪论1．1选题背景在我国铁路运输跨越式大发展的环境下，我国铁路货运也不断朝着重载的方向发展。大秦铁路是我国建设的第一条煤炭运输专用双线电气化铁路，也是世界上年货运量最大的铁路线。大秦线沿线隧道多、坡道大，线路、地形复杂。目前，大秦线普遍运用C80型和C80B型重载运煤敞车，开行了2万吨编组的重载列车。在工程结构与机械设备中，疲劳破坏的现象极为广泛，普遍存在于每个运动着的零部件上。摇枕是铁路货车转向架主要承载部件之一，在使用过程中承受着复杂的拉、压、冲击、弯曲等交变载荷作用，其主要失效形式是疲劳破坏。另外，车辆运

2、用中难免出现的偏载、超载、轮对擦伤等因素会使摇枕的受力状况恶化，加剧了裂纹的产生和扩展，从而导致疲劳失效问题的发生l¨。载荷谱是进行机车车辆承载零部件强度和疲劳寿命研究的重要依据之一，对进行疲劳强度试验、疲劳寿命估计和疲劳设计具有重要的意义【2l。因此，对大秦线2万吨重载列车的转向架摇枕的疲劳问题进行研究，获得适合我国线路条件的摇枕载荷谱，进而用于摇枕等结构的抗疲劳设计与寿命评价，对推动我国铁路的自主创新具有重大意义。1．2国内外研究现状国外对机械结构的疲劳问题较早就开始了研究，对于载荷谱的研究也很深入。美国、日

3、本、德国等发达国家都投入了大量的人力和物力，对飞机、汽车等机械产品的整机、各部件总成和零部件进行空中飞行试验和道路试验测定，获得大量的载荷谱数据，并加以标准化，提供给研究疲劳的学者进行深入研究。他们凭借先进的试验和分析手段，从疲劳的微观机理和宏观特性两个方面进行研究，取得了非常可观的成果。美国的SAE，ASTM以及日本的JAE和德国LBF等研究机构，每年都发表许多有关这方面的学术论文。他们的研究成果促进了疲劳理论的发展与工程应用【3l。在铁路上，美国曾于80年代采用线路实测的方法对万吨重载列车的载荷谱进行深入细致

4、的研究，并将研究结果纳入AAR机务规程，为重载列车的设计提供依据[41。我国铁路对转向架摇枕的疲劳问题研究开展得较晚，目前尚处于起步阶段，与国外相比还有一定的差距。目前国内对转向架的摇枕进行疲劳试验的依据是TBl959《铁道货车摇枕、侧架静载荷及疲劳试验》，这个铁路行业标准是按照美国铁路协会AAR有关标准制定的，由于我国和美国在线路状况和车辆运用条件以及铸造工艺的要求等方面存在很多的差异，因而在进行构件疲劳寿命分析时的一些关键性基础数据，如载荷谱和S-N曲线等，尚需根据我国实际情况或实测或选择合适模型自己完成【5

5、】。1．3论文主要内容本文以在大秦线上实测的摇枕载荷为基础，通过对数据进行分析处理得到了实测的载荷谱，并在此基础上研究了摇枕的疲劳寿命。主要内容包括：1．在大秦线上测试摇枕的心盘载荷和旁承载荷，对数据进行分析处理得到摇枕的心盘载荷谱和旁承载荷谱，对特殊工况下的载荷变化规律进行了分析。2．建立摇枕的三维几何模型，并划分网格建立有限元模型，利用ANSYS软件分另IJ计算摇枕在心盘载荷和旁承载荷下的应力响应，找到了摇枕的疲劳危险部位。还利用ANSYS软件对摇枕进行了模态分析，得到了摇枕的固有频率及其振型。3．在疲劳试验

6、机上对摇枕材料试样进行疲劳试验，得到了材料在不同应力水平下的疲劳寿命，并以此推断出材料的P．S．N曲线。4．应用实测载荷谱计算摇枕疲劳危险部位的损伤，并估算寿命。5．应用实测的载荷时间历程计算疲劳危险部位的总应力时间历程，并计算损伤及寿命。将以上两种方法计算得出的结果进行对比，得到了两种计算方法所得寿命相近的结论。22大秦线摇枕载荷测试2．1摇枕载荷测试通过对大秦线重载货车摇枕载荷的线路实测，建立符合重载货车运用和设计的载荷谱，为形成重载货车的疲劳设计规范和试验评定标准奠定基础。2．1．1测力摇枕的制作摇枕载荷上

7、的载荷通过测力摇枕来获得。摇枕心盘主要承受垂向载荷，由于车辆的侧滚运动，心盘载荷的作用位置会偏离心盘中心，产生一个力矩。因此，心盘测力传感器不仅要测试出心盘载荷的大小，还要测试出心盘载荷的等效作用位置。为了测得心盘载荷的作用位置，在心盘内布置四对测力传感器，分别距离心盘中心60n腱n和130m，测力心盘传感器组件如图2-1所示。图2-l测力心盘传感器Fig．2-1Force-measuringSensorofcentreplate旁承主要承受垂向载荷，鉴于车辆运行状态的复杂性，旁承载荷的等效作用力并不是作用于旁承

8、的中心，因此，要求测力旁承传感器能够测试出旁承的垂向总载荷，测力旁承传感器见图2-2。图2-2测力旁承传感器Fig．2-2Force-measuringsensorofsidebearing3不影响转向架的动力学性能，并按照TB／T1959-2006《铁道货车摇枕、侧架静载荷及疲劳试验》标准对其进行强度试验与疲劳强度评估，结果表明专用摇枕的强度满足要求。测力摇枕的基本原理