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动车组悬挂横梁疲劳性能研究

发表时间：2021/6/10 来源：《探索科学》2021年4月作者：刘伟华1 陈涛2 郑冬梅3 周军基3 徐振山3 刘海堂3

[导读] 动车组悬挂横梁的疲劳寿命是产品设计的重要指标，准确预估其疲劳寿命和分析疲劳寿命与可靠度之间的关系具有重要工程价值。本文应用液压伺服油缸对动车组悬挂横梁进行了两组疲劳寿命试验。

1.山东青岛华润利尔(青岛)环保技术有限公司，刘伟华1 266000
2.山东青岛青特集团有限公司陈涛2 266000
3.山东青岛斯坦德检测股份有限公司郑冬梅3 周军基3 徐振山3 刘海堂3 266000

摘要：动车组悬挂横梁的疲劳寿命是产品设计的重要指标，准确预估其疲劳寿命和分析疲劳寿命与可靠度之间的关系具有重要工程价值。本文应用液压伺服油缸对动车组悬挂横梁进行了两组疲劳寿命试验。第一组得到了悬挂横梁在不同载荷下的平均疲劳寿命试验结果，绘制了疲劳试验载荷与平均疲劳寿命关系的S-N曲线；第二组得到了多个悬挂横梁在相同疲劳载荷下的疲劳寿命试验结果，运用威布尔分析的方法绘制了疲劳寿命与可靠度之间的关系曲线，进行了失效类型分析。
关键词：动车组；悬挂横梁；S-N曲线；威布尔分析；可靠度
Research on Fatigue Performance of CRH Suspended Beam
Abstract: The fatigue life of CRH suspended crossbeam is an important index of product design. It is of great engineering value to accurately predict its fatigue life and analyze the relationship between fatigue life and reliability. In this paper, two sets of fatigue life tests of CRH suspended crossbeam are carried out by using hydraulic servo cylinder. In the first group, the average fatigue life test results of suspension beams under different loads are obtained, and the S-N curve of the relationship between fatigue test load and fatigue life is drawn. In the second group, the fatigue life test results of several suspension beams under the same fatigue load are obtained, and the relationship curve between fatigue life and reliability is drawn by using Weibull analysis method, and the failure types are analyzed.
Keywords: CRH; suspended beam; S-N curve; Weibull analysis; reliability
中图分类号：TG333    文献标识码：A
        0 引言
        动车组悬挂横梁是车体的重要组成部分，在整体结构中起到悬挂各个功能部件(比如水箱、污物箱、变压器和变流器等)的重要作用。在高速动车组运行过程中，悬挂横梁承受着交变载荷的作用，容易产生疲劳裂纹。预估动车组悬挂横梁的疲劳寿命，分析疲劳寿命与可靠度之间的关系，保证高速动车组运营安全，具有重要的研究价值。
        本文运用现代液压伺服设备，通过设计试验工装，模拟悬挂横梁的实际工作状态，对悬挂横梁进行了两组疲劳寿命试验，两组试验的试验工装相同[1]。
        第一组是对悬挂横梁施加不同的疲劳试验载荷，共60个样品，分为12组，得到了12组样品在不用载荷下的平均疲劳寿命数据，以此数据为依据绘制了表达疲劳载荷与平均疲劳寿命之间关系的S-N曲线。第二组试验是对12个样品施加相同的疲劳试验载荷，得到了在相同载荷下12个样品的疲劳寿命试验数据，以此数据为依据运用威布尔分析法对悬挂横梁的疲劳寿命与可靠度之间的关系进行了统计分析，绘制了疲劳寿命与可靠度之间的关系曲线，分析了悬挂横梁的失效类型。
        1疲劳寿命试验
        本试验应用疲劳试验系统，加载方式为垂向拉伸，试验频率设为5Hz，试验场地温度为20~25℃，湿度为45~51%，无腐蚀性气体。安装加载示意图见图1，试验现场照片见图2。

图1 加载方式示意图

图2 试验现场照片
2.S-N曲线
疲劳试验载荷与平均疲劳寿命之间的关系见下表1[2]。

3.威布尔分析
对12个动车组悬挂横梁样品进行疲劳寿命试验，疲劳载荷幅值均为8.0kN，对疲劳寿命进行威布尔分析见表2[3]。

根据图5，形状参数和特征寿命参数的数值分别是[4]：

       4结论
        本文通过试验方法，得到了两组试验数据，第一组是12个组悬挂横梁样品在不同载荷下的平均疲劳寿命试验结果，每组5个样品；第二组是12个悬挂横梁样品在相同疲劳载荷下的疲劳寿命试验结果。
        利用第一组试验数据绘制了表达疲劳载荷与平均疲劳寿命关系的S-N曲线，利用此曲线可以方便的预估动车组悬挂横梁在一定载荷下的疲劳寿命。
        通过对第二组数据进行威布尔分析，得到了疲劳寿命与可靠性之间的关系拟合曲线。因数值大于1，故可以推断动车组悬挂横梁的主要失效原因是耗损失效，具体包括磨损、腐蚀、裂纹扩展、疲劳、累计损伤等。
        本文的研究结果表明，后期在动车组悬挂横梁的研发过程中，运用有限的试验数据，利用绘制S-N曲线和威布尔分析的方法对试验数据进行分析，可以准确的判定悬挂横梁的疲劳寿命，有效缩短研发周期和降低研发成本。
参考文献
[1]唐颖达, 刘尧. 电液伺服阀/液压缸及其系统. 北京: 化学工业出版社. 2019-01.
[2]张行, 赵军. 金属构件应用疲劳损伤力学. 北京: 国防工业出版社. 1998-11.
[3]周福庚, 史为成. 基于威布尔分布对某重卡前轴台架疲劳试验数据分析. 武汉:专用汽车. 2020-10-20.
[4]沈峥嵘, 侯卫国. GB/T 34987-2017 威布尔分析. 北京:中国标准出版社. 2017-11.                                                   [作者简介：陈涛(1983-)，男，山东省济南市人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为轨道交通相关产品强度试验和理论计算