考虑服役状态演化的转向架构架耐久性试验方法研究

Current durability test method can't fulfill the reliability test of bogie frame for high speed EMU train as without accounting for the fact that service loading conditions are changing synchronously with the viriations of dynamic performance of the vehicle. Based on the long term tracking tests of jinghu high speed train, deterioration trends are summerized through test data. Parameter sensitivity analysis will be taken through dynamics model that can be used to get relationship between frame loading conditons and vehicle dynamic performance. So the factors such as wear of rail and wheel, suspension charactercis variations are studied to analyze influences on frame loading conditions.Loading spectrum of durability test rig will be generated by multi-axial extension method through vehicle dynamics simulation verificated by tests data. Fatigue damage projection will studied by comparasion of test rig and online operation conditions.Fatigue damage consistent which means loading cycles with respect to service periods,damage poision on test rig and online operations will be studied through virtual prototyping durability tests.

现行高速动车组转向架构架耐久性试验方法忽略构架服役载荷条件随车辆性能状态演变的事实，滞后于可靠性设计要求。本项目以长期服役跟踪试验为基础，总结实测的车辆动力学性能劣化规律。通过车辆动力学模型进行变参数灵敏度分析，得到构架服役载荷与车辆性能演化规律关联性建模方法，从理论角度获取轮轨磨耗、悬挂特性变化等因素导致的构架服役载荷变化规律。通过仿真手段，在线路测试数据对比修正的基础上获取构架各类运用工况下的短程载荷数据，通过多轴载荷谱拓展生成台架试验加载谱。通过线路条件与试验台架条件下构架损伤对比研究，获取疲劳损伤映射关系。通过虚拟试验，研究试验条件下构架损伤一致性验证方法。依据线性累计损伤法则，研究转向架构架试验台加载时间与线路服役里程的关联规律及耐久性试验损伤与线路服役损伤的位置关联规律。

我国已建成世界上最长的高铁网络，运用环境为长时间大跨度地理区间及气候特征多样性，转向架构架作为动车组最为关键的承载部件，疲劳强度及可靠性直接关系到运营安全。国内主型动车组技术原型引自国外，相关设计标准的制定基础与我国运用特点具有显著的差异，为了制定能反映我国车辆实际服役条件及性能演变的构架强度设计标准，项目开展了京沪、武广等主要高铁干线运营车辆长期服役跟踪试验，系统掌握车辆动力学性能、车轮磨耗及构架载荷特征等指标的演变规律。项目研究了高速动车组转向架构架疲劳试验载荷谱的生成方法，基于损伤一致性原则采用超越累计频次扩展获取全寿命损伤等效的特征加速度，提出劣化函数描述构架服役载荷与运用里程的演变规律并通过长期服役跟踪测试数据规律进行校正,根据广义Basquin公式提出服役载荷劣化的特征加速度计算方法。该方法考虑了车辆运用环境载荷特征周期变化的规律，台架载荷与真实服役条件具有较强的关联性。项目也开展了构架结构动力学参数与服役疲劳损伤的关联性研究，以国内主型动车组箱梁型与管梁型构架为对比研究目标，通过刚柔耦合车辆动力学仿真及应变寿命疲劳损伤计算，分析了典型车辆运行状态下的构架模态振动响应、总应变能及疲劳损伤量。根据构架的承载类型，分析两种类型构架弹性变形的各阶模态贡献量及对应的应变能分量，提出了总应变能质量比作为材料利用率的量化指标。构架低1阶扭转模态振动响应是构架变形的主要贡献量，且造成了横侧梁连接位置较大应力水平及损伤量；由于构架结构型式为H形，抽象了一种变扭转刚度的构架模型，通过改变耦合扭转刚度来改变构架扭转自振频率。通过惯性释放的准静态叠加法，分析了扭转频率从0Hz到45Hz下构架不同位置的损伤量。侧梁各位置随着频率增加损伤量增大而横侧梁连接位置则随之降低且敏感性更强。该项目的结论为国内动车组构架设计型式选择及疲劳强度台架试验验证提供了理论基础。