曹海兰

摘要：由于受路面不平度、线路结构、列车表面风压的变化等因素影响，可能会引起车辆横向和纵向振动加速度增大，通过转向架传递到机车车体，以较高频率产生车体的弹性振动，严重影响车体和其组成部分结构的强度和疲劳寿命。因此，通过有限元分析得出了通风机结构的随机振动 Von- Mises 均方根应力，采用基于高斯分布和 Miner 线性累计损伤定律的三区间法，计算随机振动疲劳损伤，得到了疲劳薄弱部位及疲劳分析结果，为离心通风机在随机振动环境下的疲劳分析提供参考。

关键词：随机振动;功率谱密度;三区间法;振动疲劳

0  引言

随着列车行驶速度不断的提升，对列车各部分的结构强度提出了更高的要求。列车运行过程中产生振动的因素有：气流扰动、空气阻力以及轨道不平顺等[1]。为了保证列车高速运行，通风机作为机车的关键构成部件，若不能保证通风机结构在冲击和振动等随机载荷作用下的疲劳性能，则会导致机车无法正常工作，甚至引起安全隐患，因此必须对通风机结构进行疲劳研究。

1  随机载荷下的振动理论

常用的随机振动疲劳分析方法有：基于统计计数的时域分析和基于功率谱密度的频域分析两种方法，由于频域法这种方法操作起来比较简单，因此使用的比较多一些。在Miner 线性累积损伤和高斯分布的基础上，Steinberg 提出了三区间法，可对随机振动应力进行简化处理[2]。国内学者对振动疲劳理论也进行了深入研究，姚起杭等将疲劳分为静态疲劳和振动疲劳两类进行研究，并在结构振动疲劳方面取得很多科研成果，姚卫星和王明珠提出了结构随机振动疲劳寿命估算的样本法[3]。

2  随机振动疲劳计算方法

随机振动分析是一种基于概率统计学的谱分析技术。随机振动分析中功率谱密度（PSD）记录了激励和响应的均方根值同频率的关系，是一条功率谱密度——频率值的关系曲线[4]。通风机在随机载荷作用下，采用ANSYS Workbench对通风机结构进行动态性能分析，得到在频域随机振动载荷激励下的应力和位移响应，再依据 Miner 累积损伤计算方法，得出疲劳分析结果。

3  有限元数值仿真分析

标准中规定了1类A级车体安装设备的ASD频谱，如图1 所示。通风机质量约为148kg，可选取f1=5Hz、f2=150Hz的ASD频谱。当质量小于500kg时，f1=5Hz，f2=150Hz;当质量在500kg到1250kg之间时：f1=（1250/质量）×2Hz，f2=（1250/质量）×60Hz;当质量大于1250kg时，f1=2Hz，f2=60Hz。功能试验ASD量级：垂向0.0166，横向0.0041，纵向0.0073（m·s-2）2/Hz。长寿命试验ASD量级：垂向0.532，横向0.131，纵向0.234（m·s-2）2/Hz。

图2～图4为功能试验横向、纵向、垂向随机振动时1σ应力分布。由图可知：垂向随机振动时，连接螺栓上应力最大;横向随机振动时，止推垫圈上应力最大;纵向随机振动时，电机前盖上应力最大。其中，垂向1σ应力为3.2185MPa;横向1σ应力为0.40951MPa;纵向1σ应力0.4199MPa。故最大应力出现在垂向，2σ应力为6.437MPa，3σ应力为9.6555MPa。

图5～图7分别为长寿命试验横向、纵向，垂向随机振动时1σ应力分布。由图可知：垂向随机振动时，连接螺栓上应力最大;横向随机振动时，止推垫圈上应力最大;纵向随机振动时，电机前盖上应力最大。其中，垂向1σ应力为18.226MPa;横向1σ应力为2.3142MPa;纵向1σ应力2.3721MPa。故最大应力出现在垂向，2σ应力为36.452MPa，3σ应力为54.678MPa。

由图可知，在长寿命垂向试验时，最大应力出现在螺栓GBT5783M8×25上，最大值为18.226MPa。在螺栓材料的疲劳寿命曲线上，由相应应力值可得到其循环次数。1σ应力对应的N1σ=+∞，2σ应力对应的N2σ=+∞，3σ应力对应的N3σ=+∞。

假设随机振动时的振动平均频率为f0=77.5Hz，3个方向各试验T=5h=18000s，则：

n1σ=0.683f0T=9.53e5，n2σ=0.271f0T=3.78e5，n3σ=0.0433f0T=6.04e4。

将上述数值代入总损伤的计算公式：

综上所述，垂向、横向、纵向的总体损伤均远远小于1，因此本设计的通风机结构满足疲劳强度要求。

4  结论

①采用三维软件进行建模，利用有限元进行通风机结构的振动响应分析，得到结构在随机振动载荷下的应力响应，并结合三区间法进行振动疲劳分析，得出了疲劳分析结果，为 通风机结构的随机振动疲劳分析提供了工程实用的方法。②参考机车行业规范，确定了通风机系统的随机振动载荷谱及试验要求，并对试验要求进行了仿真分析。

参考文献：

[1]李晓峰，杨波.动车组吊装设备随机载荷下振动疲劳寿命分析[J].铁道机车与动车，2019，12.

[2]嚴文军.液压管路系统随机振动下疲劳分析[J].民用飞机设计与研究，2020，1.

[3]胡磊.一种随机振动疲劳寿命分析技术研究[D].南京航空航天大学，2011：2-3.

[4]兆文忠，李向伟.焊接结构抗疲劳设计理论与方法[M].北京：机械工业出版社，2017.