城轨车辆端部底架疲劳强度试验研究

城轨车辆端部底架疲劳强度试验研究

罗胜  ,向勇  ,黄润涛 ,陈春跃

中车成都机车车辆有限公司  四川成都  610000

摘要：轨道车辆端部底架是轨道车辆结构中一个重要的组成部分，主要作用是支撑车身、连接构架，同时传递车辆间牵引力和制动力。由于轨道交通车辆需要长时间运行在高速和复杂的路况下，端部底架经常会遭受疲劳和损伤，因此疲劳强度研究对轨道车辆的安全和可靠性至关重要。针对某项目轨道车辆新型结构铝合金端部底架，根据EN12663-2010+A1:2014标准来确定模拟运营载荷的疲劳强度试验工况，确定了包含车体垂向、中心销横向、纵向以及车钩纵向、抗蛇行减振器和抗侧滚扭杆载荷在内的端部底架疲劳强度试验载荷，结合相关标准制定端部底架的疲劳试验方案，最后完成该端部底架的疲劳强度试验及评估。

关键词：城轨车辆；端部底架；疲劳强度；试验加载方案

1引言

轨道车辆端部底架是轨道车辆结构中一个重要的组成部分，主要作用是支撑车身、连接构架及传递车辆间牵引力和制动力。由于车辆需要长时间运行在高速和复杂的路况下，会受到车钩传递的牵引制动载荷、车轮轴重、弯曲荷载和轨道几何不平顺等多种作用，端部底架经常会遭受疲劳和损伤[1]，因此轨道车辆端部底架的疲劳强度研究对于轨道车辆的运行安全和可靠性至关重要。

随着近年来城市轨道交通的发展，原有时速90km/h～110km/h地铁已逐渐不能满足“市域”通行需求，城轨车辆开始向轻量化及高速化发展，而随着运行速度提升，端部底架承受的载荷也大大增加，某项目轨道交通车辆车体采用新型结构铝合金端部底架，运行时速为160km/h，为保证运行安全，需对该结构进行充分验证，在设计阶段已经对整车做了有限元模拟仿真分析计算[2]，计算结果符合疲劳强度要求，但未对该端部底架结构进行疲劳寿命试验，本文将根据EN 12663-2010+A1:2014[3]标准(以下简称EN 12663标准），确定端部底架疲劳强度的试验载荷并编制对应载荷谱[4]，同时制定出模拟运营载荷的疲劳强度试验工况和具体的试验方案，通过试验台验证端部底架的疲劳强度。

2试验设计

2.1试验样件

为模拟车辆运行工况，端部底架试验样件与实际车辆底架端部结构一致，包含牵引梁、枕梁、缓冲梁、地板、抗侧滚扭杆座、抗蛇行减振器座和车钩安装座等。车钩安装座为前后车厢之间的牵引连接部位，承受平行于列车前进方向的牵引力及制动力，中心销安装位置在枕梁中心，承受转向架提供的推力及转向力，空气弹簧安装位置在枕梁两侧，承受着转向架提供的支撑力。

2.2试验设备

本文的端部底架疲劳强度试验研究依托于西南交通大学牵引动力国家重点实验室的车体实验台，采用MTS液压站、伺服激振控制器以及多种等级的激振器可模拟车辆运行过程中受力情况，满足各种静强度试验的加载需要和疲劳试验的循环加载。

2.3试验载荷

目前，我国动车组、地铁和城轨车辆车体结构设计均采用EN 12663标准[5]，因此该疲劳强度试验载荷的确定的也将参考EN 12663。

2.3.1模拟运营载荷的静强度试验工况

一般认为车体承受载荷越大，车体的疲劳寿命越短，为得到较为保守的结果，本试验只考虑超载工况。根据EN 12663标准中P－Ш类模拟运营载荷，标准中规定整车纵向、横向和垂向载荷分别作用1 000万次的模拟疲劳载荷。其中纵向和横向疲劳载荷为 ± 0.15g，载荷由中心销承担。

端部底架静强度试验主要工况涉及的载荷分别有：

（1）垂向载荷

该车体AW3状态下质量为m= 48.195t，计算得到车体自重Wg=mg = 472793N（取g = 9810mm/s2），模拟运营工况下单个空簧垂向最大设计载荷为：

模拟运营工况下单个空簧垂向最小设计载荷为：

（2）横向载荷

模拟运营工况下单端中心销横向最大设计载荷为：

（3） 纵向载荷：

根据该车体端部底架静强度及疲劳试验技术条件，车辆在牵引或制动工况下，车钩纵向载荷按35459N施加；抗蛇行减振器安装座纵向载荷按30000 N施加；抗侧滚扭杆安装座载荷按22000 N设计载荷施加；

对上述各方向载荷单独进行或组合后进行车体端部底架静强度试验。试验过程中通过电阻式应变片测量样件各测点的应力应变。

2.3.2模拟运营载荷的疲劳试验工况

静强度试验完成后，进行车体端部底架疲劳强度试验，纵向载荷、横向载荷与垂向载荷同时进行，疲劳载荷试验波形参考EN 12663标准编制试验载荷谱，其中中心销横向载荷每进行100万次试验后相位转换180度。3试验平台搭建

车体端部底架试验采用车体疲劳试验台进行加载。垂向利用作动器进行加载，模拟实车条件下的垂向载荷分布；空气弹簧垂向力，中心销横向和纵向力，车钩缓冲器纵向力，抗侧滚载荷，抗蛇行载荷通过作动器进行动态加载，试验底架通过工装固定在车体疲劳实验台内。

2.4试验样件安装

将端部底架试验样件安装在支撑平台上，并通过四周约束工装进行固定约束，约束工装环抱住底架端部两侧。

2.5载荷加载

通过实验台上作动器对试验样件进行垂向载荷加载，模拟实车条件下的垂向载荷分布：

（1）空簧工装模拟实际空簧接触方式，将作动器载荷加载到枕梁下表面空簧安装座来模拟空气弹簧垂向力；

（2）中心销通过一个纵向作动器和一个横向作动器将载荷施加在中心销工装的立面上来模拟中心销横向和纵向力，同时保证力的作用高度与实车一致；

（3）车钩缓冲器纵向力，抗侧滚载荷，抗蛇行载荷通过作动器进行动态加载。

3实验结果分析

3.1静强度试验

静强度试验通过分析试验样件各测点在不同静强度工况下的应力大小，各测点的最大应力。从试验结果柱状图中可发现：静强度试验工况下端部底架的最大压应力为-26.52 MPa，发生在序号26应变片位置；最大拉应力为23.49 MPa，发生在序号4应变片位置，该位置铝合金焊缝屈服极限为115 MPa，两处位置应力均小于材料的屈服强度，试验后对铆钉状态进行检查，铆钉也未发生松动破坏现象，该新型结构铝合金端部底架静强度试验合格。

3.2疲劳强度试验

疲劳试验按照EN 12663-1：2010+A1：2014标准规定的载荷，对车体端部底架进行1000万次疲劳试验。分别在600万次，800万次和1000万次进行渗透探伤检查，均未发现需要立即修复的裂纹。同时对抗侧滚扭杆安装座、抗蛇行减振器安装座均进行铆钉状态检查，均未发现铆钉产生松动、破坏，该新型结构铝合金端部底架疲劳强度试验合格。

4结论

本文针对某项目轨道交通车辆新型结构铝合金端部底架强度提出验证思路，并基于EN 12663标准制定了端部底架疲劳强度试验方案，依托西南交通大学试验台进行试验，并通过静强度试验及疲劳强度试验对该端部底架强度进行充分验证，保证车辆运行安全的同时，为后续同平台车辆端部底架试验提供试验数据支撑。

参考文献

[1]王亚平,钱凯杰,邢宗义等.A型地铁车体结构疲劳寿命分析[J].机械设计与制造工程,2023,383(1):203-207.

[2]李新康,王苏秦,刘潮涛等.地铁车辆铝合金车体端部底架子模型疲劳试验方法及寿命评估[J].西南交通大学学报,2021

[3]田玉坤,田葆栓.EN 12663《轨道应用 铁道车辆车体结构要求》标准分析研究[J].铁道车辆,2018,56(5):12-17+4.

[4]Railway applications - Structural requirements of railway vehicle bodies - Part 1: Locomotives and passenger rolling stock (and alternative method for freight wagons)；German version EN 12663-1:2010+A1:2014[S],2015.

[5]火巧英,金文涛,李东风等.城轨车体端部底架疲劳试验方法研究[J].机械,2022,49(6):46-52.