中国标准动车组动车转向架构架结构疲劳可靠性研究

摘要

转向架构架作为高速动车组的关键承载部件，在实际运用中承受着复杂的交变载荷。受交变载荷长期作用，构架应力水平较高的部位将首先产生损伤并积累，当损伤积累超过临界值时会导致疲劳破坏，对列车的运行安全产生严重影响。中国标准动车组作为全新设计的具有完全自主知识产权的标志性产品，建立其关键部件服役过程中应力随时间变化的数据库对优化标准动车组的设计、设置合理的检修维护周期以及结构强度设计规范的制定和可靠性试验评估标准具有深远的意义。因此，对中国标准动车组转向架构架进行结构疲劳可靠性的研究是十分重要的。本文以CR400BF型号标准动车组动车构架为研究对象，通过在大西、郑徐、京广及哈大四条客运专线进行长期动应力跟踪试验获取实测数据，结合有限元分析等研究方法，开展了构架疲劳可靠性研究，主要包括以下内容:
　　(1)论文介绍了中国标准动车组动车构架的结构特性和基本参数，并对转向架构架动应力分析方法、应力谱编制方法和部分计算结果进行了阐述，根据相关研究经验确定构架的布点方案，说明了线路动应力测试的仪器设备以及跟踪试验的内容。
　　(2)结合构架模态和轮轨激励分析结果，从六种典型工况分析了构架测点动应力在时域和频域的变化特征以及应力与载荷的关系。
　　(3)以等效应力为评价指标选定了构架的可靠性评估测点，确定了典型工况下构架各评估测点等效应力的变化规律，选定哈大线的实测数据进行构架疲劳可靠性评估;编制了各典型测点在哈大线的实测应力谱，用威布尔分布对实测应力谱进行了拟合并检验，推断得到典型测点的应力最大值和总累积循环次数106下的扩展应力谱;根据有限元计算结果将扩展谱的各级应力幅值折算成等效对称循环应力幅值，获得修正的扩展应力谱;在此基础上利用循环次数与运行里程的正比关系扩展得到总运行里程1500万公里的扩展应力谱，利用Miner线性累计损伤理论和IIW标准计算出各典型测点的损伤值，预测了构架疲劳寿命。
　　本论文的研究成果为标准动车组系列化产品的开发提供了参考，具有重要的工程应用意义。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容

2 转向架构架动应力分析与应力谱编制方法

2．1 实测数据处理方法

2．1．1 雨流计数法

2．1．2 数据处理方法

2．2 等效应力幅值计算方法

2．3 频域分析方法

2．4 轮轨激励分析方法及其分析结果

2．4．1 轮轨激励的类型

2．4．2 机械振动理论

2．4．3 轮轨激励分析结果

2．5 模态分析方法及计算结果

2．5．1 模态分析方法

2．5．2 模态计算结果

2．6 实测应力谱的编制方法

2．7 实测应力谱的拟合方法

2．7．1 威布尔分布理论

2．7．2 分布拟合检验

2．8 应力谱推断

2．9 疲劳寿命评估方法

2．9．1 材料的S—N曲线

2．9．2 平均应力对疲劳强度的影响及分析结果

2．9．3 Miner线性累计损伤理论

2．9．4 国际IIW标准

2．10 本章小结

3 中国标准动车组动车转向架构架线路动应力测试

3．1 中国标准动车组动车转向架构架介绍

3．2 构架动应力测点布置

3．2．1 构架疲劳部位确定

3．2．2 构架动应力测点布置

3．3 线路动应力测试

3．3．1 测试仪器设备

3．3．2 跟踪测试内容

3．4 本章小结

4 典型工况下构架动应力特性分析

4．1 典型运用工况下动应力特性分析

4．1．1 速度级工况

4．1．2 直曲线工况

4．1．3 曲线半径工况

4．1．4 加减速／进出站工况

4．1．5 上下行工况

4．1．6 线路条件

4．2 典型运用工况下应力与载荷的关系

4．2．1 直曲线工况

4．2．2 加减速工况

4．3 本章小结

5 中国标准动车组动车转向架构架疲劳可靠性评估

5．1 可靠性评估测点的选取

5．2 典型运用工况下测点等效应力分析

5．2．1 速度级工况

5．2．2 直曲线工况

5．2．3 曲线半径工况

5．2．4 上下行工况

5．2．5 线路条件

5．3 实测应力谱的编制

5．4 实测应力谱的拟合

5．4．1 分布拟合检验

5．4．2 应力最大值推断

5．5 应力谱推断

5．6 疲劳寿命评估

5．6．1 平均应力对疲劳强度的影响

5．6．2 构架损伤与寿命计算

5．7 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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