吴双连，郑伟，孙卫平，李爽，杨广雪

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044）

0 引言

车体作为高速列车的重要承载部，对车辆的运行安全至关重要。最早一批设计时速380公里动车组列车运营时间已经超过了十年。为了检测动车组安全状况，充分了解实际运营条件对动车组安全运行的影响，探究关键部件动应力及振动等参数变化规律，对运营列车进行实时跟踪试验十分必要。

本文针对时速380公里动车组车体，安装动应力及振动检测设备进行长期跟踪测试，获得了端部底架的动应力，积累试验数据。

1 测试方案

试验车辆选择时速380公里速度等级动车组,对动车组车端部底架的关键部位进行动应力及振动长期跟踪测试。跟踪数据采集累计测试里程54.4万公里，测试线路包括沪昆高速，贵广高速，成渝高速等线路。

跟踪测试系统共有三级，第一级系统使用传感器直接测量测试需要的有用信息；第二级系统为信号采集装置；第三级系统主要是调试、控制和监控系统[1]。

在列车高速运行时，车体的受力和振动状况较为复杂，综合考虑有限元仿真确定的静应力较大的部位、以往试验确定的动态关注点和车体的焊接结构，最终确定测点位置。动应力测点具体位置分布如图 1所示。

图1 车端部底架区域动应力测点布置图

2 疲劳评估方法

与静强度问题不同，结构的疲劳是一个损伤不断累积直至最后断裂的过程。承受应力谱作用的结构疲劳属于变幅载荷下的结构疲劳问题。与恒幅载荷下的结构疲劳情况不同，在变幅载荷下低于恒幅疲劳极限的应力水平对于结构的损伤也可产生显著的影响，因此变幅载荷下结构的疲劳评估须考虑各级应力水平对结构疲劳损伤的贡献。对于变幅载荷下结构的疲劳评估，比较方便的做法是将应力谱按损伤相当的方式等效为恒幅应力幅，称之为等效应力幅，该等效应力幅可以反映结构在一定的工艺条件、运用状况和运用里程（运用时间）下的动应力状况。将等效应力幅与结构在相同工艺条件和指定可靠度下的疲劳极限（称之为疲劳许用应力幅）进行比较，可以评估结构在一定的运用条件和指定可靠度下的疲劳强度[2]。

本文采用Miner线性疲劳累计损伤法则和NASA针对变幅加载条件所推荐的S—N曲线形式计算等效应力幅，采用这一方法可使各级应力水平产生的损伤均得到合理的考虑，并使评估结果略偏保守[3-4]。计算时按照下式进行：

式中，L为安全运用公里数；L1为实测公里数；N为焊接接头疲劳极限所对应的应力循环数；为各级应力幅值；ni为各级应力循环数；m为S-N曲线参数。

3 测试结果与车体疲劳评估

测试工作结束后，采用北京交通大学结构强度研究室自研软件进行数据初步处理，统计测试数据结果的最大、最小应力、动应力幅值以及按照上述方法计算得到的等效应力。为了消除其他因素干扰，在对车体铝焊缝测点进行处理时进行了200Hz低通滤波和50Hz、100Hz、150Hz带阻滤波处理。

3.1 动应力测试结果

以动车组72天数据为基础，计算动应力测点的等效应力幅。各应力测点等效应力最大值为5.7MPa，出现在SY1017测点处。SY1017测点的频域图如下图 所示。可以看出主频分布在8.7Hz、12.6Hz附近。

图2 车体SY1017测点频域图

3.2 疲劳强度评估

根据Miner线性疲劳累积损伤法则和材料（焊接接头）的S-N曲线，各测点等效应力值若小于疲劳许用应力22MPa，则车体结构满足运营要求，反之，不能通过疲劳强度校核。车体各应力测点等效应力最大值为5.7MPa，出现在SY1017测点处，均小于疲劳许用应力22MPa，满足运营要求[5]。

4 车体动应力特性分析

为了探究车体测点动应力和运营条件之间的关系，分别计算各个交路下车体测点等效应力并进行对比分析，如图3所示。

图3 车体测点等效应力随交路变化曲线

可以发现测点SY1015、SY1017、SY1016、SY1022、SY1020、SY1029等效应力在3MPa~6MPa之间，其余测点等效应力均小于3MPa；部分测点和运营交路相关性较大。

为了进一步分析，选取D5500-G1539合肥南-昆明南交路运行数据和G1540-D5499昆明南-合肥南交路运行进行频域分析，测点主频相差不大，但是在昆明南-合肥南运行区间测点主频能量值更高。如图 4~图 5所示。

图4 G1540-D5499交路应力较大测点频域图

图5 D5500-G1539交路应力较大测点频域图

通过对比测点动应力数据,可以得到等效应力与运营条件呈强关联性。

5 结论

（1）基于Miner线性疲劳累积损伤法则和材料的S-N曲线对车体进行疲劳强度评估，结果表明，车体各应力测点等效应力最大值为5.7MPa，均小于疲劳许用应力22MPa，满足运营要求。

（2）等效应力受运营条件影响较大，在不同交路以及相同交路不同运行方向上等效应力差距明显。这些等效应力较大且受运营条件影响明显的测点，在以后的研究中可以看作重点动态关注点，其等效应力数值和规律也可以为整车寿命预测和结构设计优化提供数据依据。