安中伟，赵方伟

（1 铁道第三勘察设计院 机车车辆所，天津300142；2 北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京100044）

货车车体疲劳试验载荷谱编制方法研究

安中伟1，赵方伟2

（1 铁道第三勘察设计院 机车车辆所，天津300142；2 北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京100044）

以C70车体为研究对象，实测得到车体载荷数据和疲劳关键部位的应力数据。对实测数据用于车体台架疲劳试验的载荷谱编制方法进行了研究，提出了利用车体载荷和应力同步响应关系编制疲劳试验载荷谱的方法。依据损伤等效原则，剔除了对车体损伤无贡献的小应力循环，简化浓缩了应力时间历程。利用载荷和应力测试的同步性，对实测载荷时间历程进行简化和浓缩，编制了适用于车体台架疲劳试验的载荷谱。结合累积损伤理论，对比分析了浓缩前后车体疲劳损伤，验证了该方法的可行性和准确性。

货车车体；疲劳试验；载荷谱；损伤

近年来，随着我国经济的发展，铁路货运量大幅增长，铁路货车车体结构疲劳断裂问题日益突出。货车车体的疲劳可靠性问题是制约货车装备技术提升的关键因素。目前研究车体疲劳可靠性的主要方法包括仿真计算、线路实测试验和模拟疲劳试验［1］。仿真计算方便、快捷、成本低，但只能对疲劳可靠性进行趋势性分析和验证。线路试验可以反映车体的真实工况，但试验周期长、成本高。模拟疲劳试验可以用较短的周期、较高的效率来进行试验。模拟疲劳试验是以线路实测振动信号作为激励信号，利用室内疲劳试验台对整车进行疲劳加载试验，真实的再现车体在线路运行时载荷对车体的影响［2］。进行疲劳试验的关键是编制科学、准确的试验载荷谱。

文献［3］提出了试验台载荷谱编制原则，设定门槛值为12%以消除小载荷的方法。文献［4］在小载荷压缩中根据实际提出了18%的门槛值。两者研究的均为摩托车疲劳试验台载荷谱编制，并未验证小载荷消除前后损伤等效原则。

分析线路实测应力时间历程，研究小应力循环对货车车体损伤情况，浓缩应力时间历程，利用车体载荷与应力的实测同步对应关系，简化浓缩载荷时间历程，剔除不产生损伤的载荷时间，编制货车车体疲劳试验载荷谱。基于疲劳损伤等效原则对该试验载荷谱编制方法的可行性和准确性进行验证。

1 线路载荷谱试验

以通用线70t级敞车为研究对象进行线路实测试验。通过综合分析车体有限元静力计算结果及车体应力集中的复杂焊缝结构特征和运营中车体常出现疲劳裂纹的位置，确定疲劳关键部位。测试线路为北京到哈尔滨的铁路通用线［5］。布置测力车钩传感器用来测试车体纵向载荷，心盘传感器测试车体心盘垂向载荷，测力旁承传感器测试车体侧滚和扭转载荷。车体底架焊接疲劳关键部位布置应变计以测试应力。应变计布置位置如图1所示。

利用德国IMC数据采集系统测试信号数据，载荷和应力信号完全同步采集是编制疲劳试验载荷谱的前提。将测试载荷和应力信号数据进行系数转化、零漂、滤波等预处理获得干净无干扰的真实信号［6］。

2 试验载荷谱编制

2.1 浓缩应力时间历程

在实际运营条件下，对车体损伤影响较小的载荷占了较大比例。应力是载荷作用在车体上的响应，载荷通过应力来影响结构的疲劳特性。由于测试时间上的同步性，将线路试验采集的应力时间历程简化和浓缩，通过去除无效的应力小循环，可同步的去除对车体结构不产生损伤的无效载荷作用时间段，达到简化线路测试载荷时间历程编制车体台架试验载荷谱的目的。因此，通过浓缩应力时间历程来浓缩载荷时间历程。

试验中布置的应变计分别是各工况作用下车体应力较大的部位，通过多应力点同时浓缩应力时间历程，可保留对车体造成损伤的各种载荷，真实的在台架试验模拟车体的实际受载形式。

浓缩应力时间历程首先要确定各应力测点焊接结构的疲劳截止极限ΔσL。依据焊接接头疲劳评价标准BS EN 1993《钢结构疲劳设计与评估》标准确定车体焊缝的疲劳截止极限［7］。

图2为不同焊接接头形式的S－N曲线，参照实际要评价的接头形式，选取对应的曲线类型，就可以获得相应的疲劳截止极限。

名义应力范围下材料的疲劳强度是由S－N曲线表示的，每条曲线对应一种典型焊接结构。每种焊接结构被指定一个ΔσL值，它代表结构在2×106次应力循环下对应的许用应力范围。常用的S－N曲线为两段式延伸疲劳强度曲线。

当NR≤5×106时，m＝3，表达式为

当5×106≤NR≤108时，m＝5，表达式为

式中ΔσD为恒幅载荷疲劳极限。

式中ΔσL为截止疲劳极限。

利用式（3）、式（4）可求得各应力测点的截止疲劳极限。基于安全考虑，车体焊接结构的疲劳截止极限均选取ΔσL＝22.66 MPa，高于该值的应力循环定义为有效的应力循环，否则为无效的应力循环，将其剔除。

利用雨流计数法对应力时间历程进行循环统计［8］。在双参数雨流计数法的基础上，引入时间的概念，构成时间、峰值和谷值3参数雨流计数法。通过3参数计数法统计出任何一个循环的起止时间和应力范围。

图3为试验过程中某应力测点的一段应力时间历程。

利用3参数雨流计数法对该段应力时间历程进行统计分析，结果列于表1。

从表1看到每个应力循环峰值和谷值的时刻被有效记录，根据峰谷值可以计算循环的应力范围，根据应力范围与疲劳截止极限的关系，可以判断应力循环是否有效。

对图3所示数据段进行浓缩，如图4所示，阴影部分为剔除的数据。

以每个应力循环的峰值和谷值为中心线，分别向两侧扩展时间Δt（Δt为一个应力循环的平均作用时间），用于保留一个完整的应力循环。各测点的应力循环作用时间大致为0.5 s，选取Δt＝0.5 s。剔除无效循环后的结果如图5所示。

2.2 浓缩载荷时间历程

删除无效的应力循环时间段时，同步删除对应时间段的载荷数据，编制有效、准确的试验载荷谱。图6为车钩纵向载荷时间历程浓缩前后对比图。

线路实测时长约为93 h，数据原始长度为334 800 s。浓缩后时间长度为1 818 s，只保留了原始数据的0.54%左右，各载荷的极值没有改变，载荷较大的时刻均被有效的保留。

3 载荷谱有效性验证

3.1 应力时间历程有效性验证

浓缩应力时间历程的方法是删除不产生损伤的应力循环，依据损伤等效原则，浓缩前后的应力时间历程产生相同的损伤。

根据图2所示S－N曲线，依据浓缩前后的应力谱分段计算损伤。

当NR≤5×106时，结合式（1），可得折线第1段损伤Di

当5×106≤NR≤108时，结合式（2），可得折线第2段损伤D′i

最后根据线性累积损伤原则，对应力谱的数据分别按以上过程进行计算，从而得出计算部位的总损伤为

式中nEi为表示第i应力级的循环数；NRi、N′Ri为第i级应力水平下达到疲劳破坏的循环数。

根据疲劳损伤累计理论计算的各测点应力损伤见图7。从图7可以看出，各应力测点浓缩前后损伤基本相同，差别最大的2号测点，误差控制在1.55%以内，符合损伤等效原则，说明浓缩应力时间历程的方法合理。

3.2 载荷时间历程有效性验证

浓缩载荷时间历程的方法是删除不产生损伤的无效载荷，验证浓缩载荷时间的方法合理的依据是浓缩前各分载荷对车体结构产生的损伤保持一致。

载荷谱浓缩前后，对同一应力测点利用式（5）和式（6）进行车钩、浮沉、扭转以及侧滚载荷谱的分损伤计算，将各载荷造成的损伤累积相加得到该测点总损伤。计算结果如图8所示。

由图8可以看出，浓缩前后载荷对车体各应力测点的损伤基本保持一致，测点2差别最大的2号测点，误差控制在10%以内，在允许的车体设计寿命范围内，满足损伤等效原则，说明浓缩载荷时间历程的方法准确、合理。

对比图7和图8可以看出，利用应力谱和载荷谱分别计算的车体损伤基本相同，也进一步验证了利用浓缩应力时间历程来编制货车车体试验台载荷谱的方法准确性。

4 结 论

以C70车体为研究对象，线路实测了车体载荷数据和疲劳关键部位应力数据。剔除了对损伤无贡献的应力循环，简化浓缩了应力时间历程，利用载荷和应力测试的同步性，浓缩了载荷时间历程，编制了车体台架试验载荷谱，依据累积损伤理论计算了浓缩前后造成的损伤，得到如下结论：

（1）各应力测点浓缩前后损伤基本相同，最大误差控制在1.55%以内，符合损伤等效原则。

（2）通过对大量数据分析，得出对车体产生损伤的载荷时间只占了整个载荷时长的0.54%左右。实际测试中，对货车车体造成损伤的循环数占了很小一部分。

（3）浓缩前后载荷对车体各应力测点的损伤基本保持一致，最大误差控制在10%以内，在允许的车体设计寿命范围内，满足损伤等效原则，验证了依据应力编制试验台载荷谱方法的合理性。

［1］ 刘震涛，刘宏瑞，叶 晓，等.发动机连杆拉压模拟疲劳试验台研制［J］.机电工程，2011，28（6）：653-658.

［2］ 张 恒.大秦线2万吨重载列车车体模拟线路加载疲劳试验载荷谱研究［D］.北京交通大学，2010.

［3］ 平 安，王德俊.随机疲劳载荷的处理及载荷谱编制原则［J］.东北大学学报，1994，15（4）：327-331.

［4］ 张迎辉，单丽君，何卫东.摩托车疲劳试验台载荷谱编制［J］.大连铁道学院学报，2004，25（4）：39-42.

［5］ 谢基龙.载重70 t级铁路货车通用线路载荷谱试验大纲［R］.北京交通大学，2012.

［6］ 周素霞，谢基龙，赵方伟，等.基于概率分布函数的动车组车轴应力谱试验分析［J］.中国铁道科学，2013，34（2）：95-98.

［7］ BS EN 1993-1-9 Eurocode3：Design of steel structures-Part1-9：Fatigue［S］.

［8］ DOWNING S D，SOCIE D F.Simple rainflow counting algorithms［J］.International Journal of Fatigue，1982，（1）：31-40.

Study on Load Spectrum Compiling Method of Wagon Carbody Fatigue Test

AN Zhongwei1，ZHAO Fangwei2
（1 The Third Railway Survey and Design Institute，Tianjin 300142，China；2 School of Mechanical，Electronic Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

C70 carbody is taken as the research object.The car body load data is obtained by load test as well as the stress data of fatigue critical parts.The method of utilizing the measured data for compiling fatigue test load spectrum is studied，and the way of using relationship of carbody load and stress response for compiling fatigue test load spectrum is put forward.According to the damage equivalent principle，the small stress cycle which has no contribution to carbody damage is cut out，and stress time history is simplified and concentrated.By using synchronicity of load and stress test，load time history is concentrated as well.Combining with the cumulative damage theory，the carbody fatigue damage before and after concentration is analyzed in comparison.The feasibility and accuracy of this method is verified.

wagon carbody；fatigue test；load spectrum；damage

U272.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.13

1008－7842（2014）06－0054－04

7—）男，助理工程师（

2014－05－07）