摘要:為研究地鐵車頂?shù)鯍煸�件所用連接件的連接參數(shù)和疲勞特性，設(shè)計(jì)一套地鐵車輛車頂?shù)鯍煸�件�?dòng)態(tài)試驗(yàn)工裝。工裝固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，模擬地鐵車輛車頂局部吊掛梁的安裝結(jié)構(gòu)，測(cè)試車頂?shù)鯍炝哼B接件在模擬振動(dòng)環(huán)境下的連接參數(shù)，為地鐵車輛常用緊固件連接參數(shù)的選定提供依據(jù)。為驗(yàn)證工裝的力學(xué)特性是否滿足試驗(yàn)要求，利用有限元軟件校核工裝強(qiáng)度，并在其頻域內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析，計(jì)算結(jié)果表明工裝的靜強(qiáng)度和疲勞壽命均滿足試驗(yàn)要求。

　　關(guān)鍵詞:地鐵車輛;車頂?shù)鯍?試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì);力學(xué)特性;疲勞

　　隨著地鐵車輛運(yùn)營速度和載重量的不斷提高，車輛關(guān)鍵部位連接結(jié)構(gòu)的服役性能已成為影響地鐵車輛運(yùn)行安全的關(guān)鍵性問題之一。車頂是軌道車輛車體結(jié)構(gòu)的四大部件之一，既要承受車輛運(yùn)行時(shí)受到的縱向力和沖擊力，又要承受車頂空調(diào)風(fēng)道、照明設(shè)備、立柱和扶手等吊掛設(shè)備所產(chǎn)生的垂向載荷。因此，車頂骨架和車頂內(nèi)裝的制造精度、兩者之間連接部分的裝配質(zhì)量和激勵(lì)水平都直接關(guān)系到車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

　　目前，對(duì)地鐵車輛車頂?shù)鯍炝哼B接件連接狀態(tài)的研究較少。劉艷等[1]分析吊掛元件的墊片材質(zhì)、尺寸等變量單獨(dú)作用和聯(lián)合作用對(duì)地鐵車輛上常用螺紋連接件預(yù)緊力衰減的影響程度。溫楠[2]分析認(rèn)為，伴隨預(yù)緊力衰減，螺栓形狀有不同程度的改變，給出預(yù)緊力的控制措施和螺紋連接件防松的理論方法。基于這些理論研究，需要在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上模擬車頂?shù)鯍炝旱木植堪惭b結(jié)構(gòu)，進(jìn)行連接件的連接參數(shù)和疲勞特性試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，才能驗(yàn)證理論分析的正確性，并綜合評(píng)價(jià)連接件的連接狀態(tài)和防松效果。[3]

　　因而，模擬車頂?shù)鯍煸O(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試裝置必不可少。針對(duì)地鐵車輛車頂?shù)鯍炝荷洗罅繎?yīng)用的T型螺栓，設(shè)計(jì)一套地鐵車頂?shù)鯍煸�件�?dòng)態(tài)試驗(yàn)工裝，模擬車頂?shù)鯍旖Y(jié)構(gòu)連接狀態(tài)，并利用有限元軟件校核工裝強(qiáng)度，進(jìn)行疲勞壽命分析，驗(yàn)證工裝力學(xué)特性滿足試驗(yàn)要求，證明該車頂?shù)鯍煸囼?yàn)工裝設(shè)計(jì)滿足地鐵車頂?shù)鯍炀o固件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)測(cè)試要求。

　　1工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1設(shè)計(jì)要求

　　工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是:用扭矩扳手將T型槽用帶有傳感器的GB/T37—1988M8螺栓安裝在相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備上;對(duì)螺栓施加實(shí)測(cè)得到的振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)，通過傳感器及其測(cè)試系統(tǒng)對(duì)連接件進(jìn)行預(yù)緊力變化數(shù)據(jù)的采集;將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)價(jià)螺栓結(jié)構(gòu)的連接狀態(tài)。[4]因此，試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如下:

　　(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。車頂邊梁與內(nèi)裝框架之間由左右對(duì)稱的多個(gè)吊掛件連接，試驗(yàn)工裝僅模擬其中一對(duì)吊掛件。工裝外框架底面應(yīng)與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)有足夠大的安裝面，以準(zhǔn)確傳遞振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的加速度激勵(lì)。內(nèi)框架(配重框)底面應(yīng)有足夠的面積放置模擬車頂?shù)鯍煸O(shè)備質(zhì)量的鐵塊。設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用對(duì)稱性，提高振動(dòng)加速度傳遞的可靠性。

　　(2)具有較高的強(qiáng)度和剛度。在進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)和動(dòng)載荷試驗(yàn)時(shí)，工裝任意時(shí)刻、任意一點(diǎn)處的應(yīng)力大小均不能超過材質(zhì)的屈服極限。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，工裝結(jié)構(gòu)不應(yīng)該出現(xiàn)較大的變形，即工裝要有較大的動(dòng)剛度，才能將振動(dòng)臺(tái)所施加的振動(dòng)激勵(lì)準(zhǔn)確傳遞至被測(cè)螺栓上。

　　1.2工裝三維模型

　　依據(jù)測(cè)試要求，工裝由框架與配重組成，框架和配重通過連接件、角鐵和T型槽等零部件連接。T型槽用GB/T37—1988M8螺栓在該工裝上安裝，工裝外框架尺寸為820mm×720mm×800mm，由多個(gè)不同尺寸的方形管焊接成長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，底面尺寸根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)安裝面設(shè)計(jì)，高度設(shè)計(jì)考慮振動(dòng)時(shí)內(nèi)框架部分不與外框架發(fā)生干涉。方管壁厚為3mm，節(jié)省材料的同時(shí)保證工裝框架具有一定強(qiáng)度。

　　內(nèi)框架尺寸為310mm×210mm×405mm，由多個(gè)角鐵焊接成長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部放置質(zhì)量塊模擬配重。角鐵(780mm×50mm×4mm)和T型槽部分模擬車頂邊梁，T型槽和角鐵通過M10的普通六角頭螺栓與外框架相連。吊掛件為薄壁結(jié)構(gòu)，壁厚約為5mm。吊掛件與T型槽、吊掛件與內(nèi)框架之間用T型試驗(yàn)螺栓連接。

　　工裝設(shè)計(jì)采用具有良好可塑性和可焊接性的Q345b低碳合金鋼，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，材料密度為7.85×10-3g/mm3，屈服極限為345MPa。

　　2強(qiáng)度計(jì)算與校核

　　地鐵車頂?shù)鯍煸O(shè)備的質(zhì)量和隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境是影響工裝承載品質(zhì)的關(guān)鍵因素，因此先進(jìn)行工裝靜強(qiáng)度校核計(jì)算，并結(jié)合有限元與疲勞壽命分析進(jìn)一步在頻域內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命分析[5]。

　　2.1有限元建模

　　為三維實(shí)體部件劃分網(wǎng)格時(shí)，六面體單元網(wǎng)格HEX可以以較小的計(jì)算代價(jià)獲得較高的計(jì)算精度。

　　2.2強(qiáng)度分析與校核

　　進(jìn)行靜載荷強(qiáng)度工況計(jì)算。地鐵車輛車頂1對(duì)吊掛件所承載的設(shè)備質(zhì)量約為140kg，采用附加質(zhì)量塊模擬車頂?shù)鯍煸O(shè)備質(zhì)量。工裝底面用螺紋連接的方式固定在振動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)上，靜載荷工況下約束工裝底面全部自由度。對(duì)整個(gè)模型定義y軸負(fù)方向的重力場(chǎng)。最大等效應(yīng)力值約為36MPa。材料的屈服極限為345MPa，取安全因數(shù)n為1.15[7]，則材料的許用應(yīng)力為300MPa，遠(yuǎn)大于工裝危險(xiǎn)點(diǎn)處的等效應(yīng)力值，因此本文設(shè)計(jì)的工裝靜強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

　　3隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析

　　根據(jù)試驗(yàn)要求，工裝完成一次全面的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)需要反復(fù)施加地鐵車頂?shù)鯍炝荷蠈?shí)測(cè)所得的振動(dòng)激勵(lì)(約40s)[4]，同時(shí)還需要滿足長(zhǎng)久使用的要求，故對(duì)工裝的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)疲勞設(shè)計(jì)的有限壽命設(shè)計(jì)方法[8]，只要保證工裝在規(guī)定的使用期限內(nèi)能安全使用，即為滿足設(shè)計(jì)要求。在滿足結(jié)構(gòu)疲勞壽命要求的前提下，不要求其無限次循環(huán)使用，因此允許工裝的工作應(yīng)力超過其疲勞極限，以充分利用材料的承載潛力、減輕自重、降低能耗。基于此，對(duì)本文設(shè)計(jì)的工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析。

　　3.1基本原理

　　將實(shí)測(cè)的加速度時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算得到加速度功率譜密度(powerspectraldensity，PSD)，再分析在給定加速度PSD激勵(lì)下工裝的動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)，然后根據(jù)材料的疲勞特性曲線和Miner線性疲勞損傷準(zhǔn)則估算模型的疲勞壽命及分布。

　　4結(jié)束語

　　(1)為檢測(cè)地鐵車輛車頂?shù)鯍煸�件所用連接件預(yù)緊力衰減等連接參數(shù)是否合格，分析其疲勞特性，設(shè)計(jì)一套地鐵車輛車頂?shù)鯍煸�件�?dòng)態(tài)試驗(yàn)工裝。該工裝結(jié)構(gòu)與實(shí)際地鐵車輛車頂局部吊掛梁結(jié)構(gòu)相同。振動(dòng)臺(tái)施加的加速度激勵(lì)傳遞給工裝上的待測(cè)緊固件，待測(cè)緊固件在工裝上的安裝位置與實(shí)際車頂上的安裝位置一致，模擬緊固件連接性能的振動(dòng)試驗(yàn)安裝工況。

　　(2)為驗(yàn)證工裝的力學(xué)特性是否滿足試驗(yàn)要求，利用有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，校核工裝靜強(qiáng)度，并對(duì)工裝進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力與疲勞壽命分析，結(jié)果表明工裝的靜強(qiáng)度和疲勞壽命均滿足要求。

　　(3)該工裝結(jié)構(gòu)可進(jìn)行地鐵車輛車頂?shù)鯍炝哼B接件預(yù)緊力衰減等連接參數(shù)試驗(yàn)，從而優(yōu)化參數(shù)，提高地鐵車輛螺紋緊固件的使用壽命并減少事故率，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，可為地鐵車輛常用緊固件連接參數(shù)的選定提供依據(jù)。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]劉艷，陳飛，王未，等.基于軌道交通系統(tǒng)典型緊固件的預(yù)緊力研究[J].機(jī)車車輛工藝，2014(3):4-6.DOI:10.14032/j.issn.1007-6034.2014.03.007.

　　[2]溫楠.螺紋緊固件預(yù)緊力松弛問題芻議[J].航天標(biāo)準(zhǔn)化，2015(2):12-15.

　　[3]程亞軍，高陽，劉洪濤，等.地鐵客車底架局部吊裝仿真分析與疲勞試驗(yàn)[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2012，40(10):31-34.

　　[4]陳曉東.緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2015.

　　相關(guān)刊物推薦：《機(jī)車車輛工藝》哪些論文發(fā)表網(wǎng)站是可信的? 由鐵道部主管、中國南車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車車輛研究所主辦的、全國公開發(fā)行的科技類期刊，是我國創(chuàng)辦最早的機(jī)車車輛工藝雜志。