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高速轮轴载荷谱及疲劳强度分析

董智超  
【摘要】:高速运转的轮轴是保障动车组安全行驶的关键部件。随着运行时速高达380km/h的CRH380AL系列动车组的研制成功,高速运行下的轮轴承受的交变载荷显著加剧。同时,在随机载荷的长期积累,到达一定程度就会引起疲劳断裂,这将严重危及行车安全。 本论文的研究对象是CRH380AL动车组的动车轮轴和拖车轮轴,采用线路动应力实测和有限元仿真相结合的方法对轮轴载荷谱及疲劳强度进行分析研究,本论文的主要研究内容如下: 首先,确定了轮轴动应力测试组桥方案,选用的测试桥路为全桥电路进行测试;根据这个测试方案,将测试用的轮轴安装于CRH380AL动车组,并在京沪高铁线路上进行线路实测,线路实测时,按照不同的速度等级以及不同的工况,在相应的区段上进行反复的拉锯式折返试验,线路实测的线路涵盖了北京南到蚌埠南。线路实测之后得到了线路实测的动应力数据,根据轮轴动应力试验方案,使用实验室专用的Mycode工程数据处理软件对所采集的数据进行处理,处理过程包括实测数据转换,应变信号转换为应力信号,实测信号未调平衡处理,实测信号去除零点漂移等。采用准静态法进行载荷识别,根据实测的轮轴垂向应力数据得到轮轴垂向力的载荷应力传递系数,然后使用有限元前处理软件Hypermesh分别建立动车轮轴和拖车轮轴的有限元模型,通过有限元分析软件ANSYS进行有限元仿真,对轮轴的横向载荷进行虚拟加载,以此得到轮轴在相应的横向载荷下的应力响应,即得出轮轴的横向载荷应力传递系数。 根据载荷识别求出的载荷应力传递系数,就可以将轮轴的动应力时间历程转换为轮轴的载荷时间历程,抽取不同速度级、不同工况下的应力时间历程数据,经过滤波、峰谷值挑选、雨流计数法和波动中心法得到轮轴的一维载荷谱,根据载荷谱分析了轮轴的载荷特性;由轮轴载荷谱的分布情况来看,在直线工况时,轮轴的垂向载荷波动不大,曲线工况时,轮轴的垂向载荷波动略微有所增大,横向载荷主要为垂向载荷的8-10%左右,而在道岔工况时,轮轴的垂向载荷波动较大,由于连续转弯,其横向载荷也大于曲线工况下的横向载荷。 最后,根据Miner线性累积损伤理论计算高速轮轴在不同速度等级和不同工况下的等效应力幅,并参照标准EN13104对轮轴的疲劳强度进行评估。其中,轮轴最大的等效应力为93.27MPa,这个等效应力小于EN13104标准中所给定的最大许用应力值,因此,可以认为该高速轮轴满足安全行驶1200公里的使用要求。


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