摘要：众所周知，地铁以其运量大、高速、准时及节省空间等优势，已成为解决城市道路拥堵、缓解交通压力的重要方法。同时，随着地铁车辆运营里程和服务年限的增加，部分转向架构架出现了大量的疲劳裂纹问题。转向架是地铁车辆重要组成部件之一，其结构的可靠性直接影响车辆的运行品质、动力性能和行车安全。转向架构架在运用过程中受到外界激励的影响，经常会发生疲劳裂纹、测试寿命不足等问题，产生原因各不相同。本文针对某地铁构架使用寿命不足问题进行了详细分析，寻找疲劳损伤的根本原因，并提出解决办法，以确保车辆安全运行。
关键词：地铁车辆;转向架构架;使用寿命;动应力测试
引言
近年来地铁转向架构架频繁暴露疲劳裂纹故障，关键部件有齿轮箱吊杆、电机吊座、齿轮箱吊座、构架横侧梁连接部，其中电机吊座占比３４．８％，横侧梁连接部占比３１．９％。因此为确保列车运营安全，研究地铁车辆关键部件的疲劳寿命及可靠性至关重要。
1转向架端梁原结构分析
1.1测试数据分析
从端梁焊接接口位置测点的应力—时间历程中可以看出，结构在某些时间段内产生了不正常的振动。端梁的自振频率与某些激振频率“合拍”时，端梁中部振动的振幅就加大，导致焊接处应力比较大。对测点的应力—时间历程进行频域分析，由频域图可以看出，在线路激扰条件下，ATP天线端梁振动的能量绝大部分产生在25Hz之前，在11～12Hz时发生规律性的较大振动，端梁振动的能量最大，振动响应频率可能刚好落在共振带内或共振带边缘。为了减小应力，应尽量避开共振带区域，增加端梁的局部刚度以提高其固有频率。
1.2结构的模态分析
结构在某些时间段内产生了不正常的振动。端梁的自振频率与某些激振频率“合拍”时，端梁中部振动的振幅就加大，导致焊接处应力比较大。
对测点的应力—时间历程进行频域分析，由频域图可以看出，在线路激扰条件下，ATP天线端梁振动的能量绝大部分产生在25Hz之前，在11～12Hz时发生规律性的较大振动，端梁振动的能量最大，振动响应频率可能刚好落在共振带内或共振带边缘。为了减小应力，应尽量避开共振带区域，增加端梁的局部刚度以提高其固有频率。
2载荷谱的建立与疲劳寿命预测
依据实测应力数据计算疲劳部位在线路运行中的损伤，即实测应力谱损伤；基于实测载荷谱，根据标定建立的载荷－应变传递系数计算疲劳关键点在各载荷作用下同等里程的疲劳累积损伤，即实测载荷谱损伤；根据损伤一致性载荷谱理论对实测载荷谱进行校准，校准后疲劳关键点的实测应力谱损伤需不小于实测载荷谱损伤，同时为保证损伤数据的真实性，校准后的实测应力谱损伤与实测载荷谱损伤越接近越好，因此需要通过数学方法求解最优的载荷校准系数。本文基于传统罚函数优化理论，采用粒子群优化算法寻找最优的载荷校准系数。
3车辆方面的原因分析
为了进一步分析超限测点原因，对全程各个站间的轴箱加速度、应力进行了时域图分析。为了着重说明问题，选取了其中一个站间时域图进行分析。
3.1超限测点应力
超限测点应力时域图也存在等间距异常振动。为了进一步确认异常振动特性，对图5时域图进行了局部放大，振动冲击峰值时间间隔约为1．44s。基于从车上网络系统下载的行车速度信号，可知此时车速约为62．5km/h。通过计算得出，两次振动冲击距离约为25m，正好与钢轨长度相吻合。
3.2轴箱加速度
按照EN13749—2011《铁路应用-轮对和转向架-构架结构强度计算规范》，轴箱横向加速度超常载荷最大值为±10g(g为重力加速度)，模拟运营载荷最大值为±5g。轴箱加速度数值已远远超过了上述标准±5g要求，且存在等间距异常振动。
4线路方面的原因分析
地铁车辆转向架构架由侧梁与横梁焊接而成，构架上焊接特殊吊座以吊挂其他结构用于向车辆提供驱动力和制动力。按照车辆运动、承载特征及复杂结构载荷识别的系统性，建立构架在车辆运营过程中承受的１１种载荷系，综合强度分析、模态分析和构架结构确定动应力测点位置。通过载荷标定试验确定载荷－应变传递系数。
载荷标定方法是基于应变响应的准静态法。根据转向架的设计要求，构架受到载荷作用时，其变形必须在弹性变形范围内，因此认为构架因变形产生的应力、应变、位移等响应与外部载荷成线性传递关系。
若要获得准确的外部载荷数据，最有效的方法是在多次加载的基础上寻求最优的应力响应位置，通过组桥解耦消除应力响应的载荷耦合影响，建立各载荷与应力的一一对应关系，即制作高精度测力构架，使得单一载荷测试通道的测量误差低于２％。本文采用ＳｏＭａｔｅＤＡＱ动态数据采集仪对构架载荷及焊缝区的疲劳关键点进行了长达１年的跟踪测试，采样频率为１０００Ｈｚ，对获取的大量的载荷、应力、速度、摇头角速度等信号进行处理，获得真实的载荷－时间历程。
5动应力试验
5.1测点布置
合理选取测点是动应力试验评估里程寿命的关键，薄弱部位的疲劳寿命决定了构架的寿命。通过选取合理的测点，对某地铁公司转向架构架进行了构架动应力测试试验，并对转向架构架的测点里程寿命进行了统计分析，评估构架的疲劳寿命。由于该构架的一些部位在运营服役中出现裂纹现象，该试验重点考察这几个关键部位，主要包括两个电动机吊座与横梁侧面盖板焊缝连接处，两个齿轮箱吊座与横梁侧面盖板焊缝连接处，两个横向止挡与横梁焊缝过渡处位置。
5.2数据采集系统
1)电阻型应变。
试验采用中原电测有限公司生产的单轴应变片和三轴应变花测量关键位置点动应力。
2)DDS32分布式动态采集系统。
试验采用DDS32分布式动态采集系统采集动态信号。该系统稳定性好，对电气化铁道干扰信号有较强的抗干扰能力，数据采集完全程控化、数字化。
5.3里程寿命计算流程
车辆每单趟运行的寿命计算结果取决于各单趟的应力-时间历程，受车速、车辆运行状态等因素影响，每次的应力历程略有差异。由于动态采集系统通道数量限制，试验测点采用换线测量，本次试验一共进行了8趟动应力试验，共有30个测点，需要70个数据采集通道，但由于设备的限制只能一次采集60个数据，所以不是每个测点都能采集到8趟的数据，但至少能采集5趟，最后将每个测点采集的数据都进行处理后，取测点的里程寿命平均值。寿命计算结果呈现出一定的分散性，做统计学处理时，如样本数量超过统计起码值(某测点趟数超过5)，则可给出平均的里程寿命。
结语
通过本次对地铁车辆转向架端梁结构的更新，从提高结构整体的刚度入手，工艺上更为可行并满足运用需要。另一方面，在结构设计初期，需要全面考虑部件的运用工况，不能只看重强度要求而忽略了刚度指标，同时如果部件刚度不足还会导致结构强度的降低。
参考文献
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