上海地铁1号线车辆转向架寿命预测数值分析

上海地铁1号线车辆转向架寿命预测数值分析 上海地铁1号线车辆转向架寿命预测数值分 析 第5卷第5期 2009年10月 地下空间与工程 ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering V01.5 0ct.2OO9 上海地铁1号线车辆转向架寿命预测数值分析 金国龙,谢雄耀,王如路 (1.同济大学地下建筑与工程系岩土工程重点实验室,上海200092; 2.上海地铁运营有限公司,上海200003) 摘要:上海地铁l号线自1992年运营至今,在列车检修作业中多次发现列车动车转向 架构架出现裂纹,远远达不到l号线车辆技术规格书中30年使用寿命的要求.针对地铁转向 架结构特点和受力特点,对地铁转向架进行了三维有限元计算,并且利用名义应力疲劳法 对电机吊座应力集中部位进行了分析,得到反映结构疲劳强度性能的s—N曲线,进行了寿命 预测.计算结果表明:转向架构架产生的裂纹主要是由于疲劳强度不 足产生的疲劳裂纹,垂向 振动和横向振动是引起裂纹的主要因素.由于横向振动出现的频率 远高于垂向加速度,其损 伤量甚至大于垂向振动损伤量. 关键词:地铁转向架;有限元分析;寿命预测 中图分类号:TD122文献标识码:A文章编 号:1673—0836(2009)05—0860—07 LifetimePredictionoftheBogieFrameofShanghaiMetroLine1by3DFEM JINGuo—long,XIEXiong—yao,WANGRu?lu (1.KeyLaboratoryofGeotechnicalEngineering.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongfiUniversity,Shanghai200092; 2.ShanghaiMetroOperationCo..Ltd,Shanghai200003) Abstract:MultiplecrackswerefoundinthevehiclebogiesofShanghaimetroline1-whichbeganitsoperation in1992,SOthatthelifeofthevehiclebogiesismuchlessthan30yearspromisedbythetechnicalspecification.This papersimulatedthestressofvehiclebogieby3DFEMtopresentthedistributionofeverystressconcentrationpoint. TheGoodmanfatiguediagramWaSdrawnbasedonthestressconcentrationpointsandthelifeofthemotorbracketof thebogiewaspredictedbytherevisedMinertheory.Thispaperconcludedthat thebogiecracksofShanghaimetro line1arecontributedbytheoverburdenfatigueload,andignoringthelateralvi brationloadinthedesignofthevehi— clebogieistheimpoaantcauseforthatthebogiecracksoccurredfarearlierthan thedesignedlifetime.Thecompu— tedfrequencyfromthelateralvibrationismuchhigherthanthatfromtheverticalvibrationSOthedamagebythelater- alvibrationtothevehicleismorethanbytheverticalvibration. Keywords:metrobogie:FEM;lifetimeprediction 1引言嚣萋篁釜嫠喜袭茎蓁 地铁车辆转向架的基本作用是支承车体,承受架为H型焊接结构,材 料为DinST52—3(德国钢 并传递从车体至轮对之间及从轮轨至车体之间的牌号与国产低合 金钢16Mn的机械性能基本一致) 各种载荷,并使轴重均匀分配,保证车辆能灵活地结构钢.图1为地铁 列车转向架构架. 收稿日期:2009-06.12(修改稿) 作者简介:金国龙(1984一),男,硕士研究生,主要从事隧道与地下工程 的研究工作.E.mail:Jinguolong.Tj@hot. mail.con 基金项目:国家自然科学基金项目(40874074);上海市自然基金资助 (07ZR14117) 2009年第5期金国龙,等:上海地铁l号线车辆转向架寿命预测数值分析861 据统计上海地铁1号线自1992年运营至今的 l6年中,在列车检修作业中多次发现列车动车转 向架构架出现裂纹,远远达不到1号线车辆技术规 格书中30年使用寿命的要求?J.地铁直流机车构 架截止至2004年,共有46个50次裂纹出现,其中 38次为电机吊座裂纹,11次为齿轮箱吊座部位的 牵引拉杆座裂纹,1次为齿轮箱吊座裂纹. 图2名义应力法疲劳寿命估算的步骤 Fig.2Flowchartoffatiguelifetimeprediction withnominalstressmethod fjjij支架骤,如图2. 名义应力法的核心就是确定材料的S—N曲 图1地铁列车转向架构架 Fig.1Thebogieframeofthemetrotrain 针对上海l号线直流车车型的转向架,国内学 者吴云文j,王建兵等做过一些研究和分析,但 是这些研究限于线路振动数据的不足和之前的理 论积累不够,仅仅是利用有限元工具,按照国际铁 路的设计规范载荷,计算构件强度,再进而判断构 件的疲劳强度是否满足要求.程祖国,任利惠7j 等人通过在线试验,统计得到了电机各向不同加速 度值出现的频次,为转向架的强度设计和寿命预计 提供了依据.国外Dietz】,Kim等也曾针对 列车转向架进行过分析. 本文针对地铁转向架电机吊座的结构特点和 受力特点,对电机吊座局部进行受力分析.并且利 用名义应力疲劳设计法对电机吊座应力集中部位 进行了分析,得到反映结构疲劳强度性能的s—N 曲线,并且进行寿命预测. 2基于名义应力法的寿命预测理论 2.1名义应力法 名义应力疲劳设计法是以名义应力为基本设 计参数,以S—N曲线为主要设计依据的疲劳设计 方法J.构件或结构在常幅载荷作用下,对于给 定的应力幅,通过S—N曲线即可求得疲劳寿命. 名义应力法估算构件及结构寿命的基本步 线,和危险部位的名义应力谱. 2.2疲劳累计损伤理论 线性疲劳累积损伤理论是指在循环载荷作用 下,疲劳损伤是可以线性地累加的,各个应力之间 相互独立并互不相关,当累加的损伤达到某一数值 时,试件或构件就发生疲劳破坏J.线性累积损 伤理论中典型的是Palmgren—Miner理论,简称为 Miner理论. (1)一个循环造成的损伤: 1 D=音(1)』V 式中:N为对应于当前载荷水平S的疲劳寿命(N 由S—N曲线确定). (2)等幅载荷下,n个循环造成的损伤: D=(2) 』V 变幅载荷下,n个循环造成的损伤: n1 D=?(3)l=1’’i 式中:为对应于当前载荷水平s的疲劳寿命. (3)临界疲劳损伤D 若是常幅循环载荷,显然当循环载荷的次数n 等于其疲劳寿命N时,疲劳破坏发生,即n=N,由 n’ 式D=?得到I1’i D,=1(4) Miner理论是一个线性疲劳累积损伤理论,对于 随机载荷,试验件破坏时的临界损伤值D,在1附 近,这也是目前工程上广泛采用Miner理论的原因. 862地下空间与工程第5卷 3地铁1号线车辆转向架三维有限 元受力分析 3.1计算基本设定条件及材料参数取值 基本假定: (1)假定材料为各向同性,均质. (2)假定焊缝强度高于构架材料强度,焊缝材 质等效为构架材质. (3)结构按照线弹性小变形前提进行分析. (4)忽略抗侧滚扭杆对构架的力学影响.(由 于扭杆与肋板无直接接触,且侧架板未出现裂纹) 转向架构架材料为ST52—3,为德国钢牌号, 其材料参数取值如表1所示. 3.2转向架三维建模及网格离散技术 利用UG软件对转向架进行三维建模,利用 Hyperrmesh软件对转向架进行了网格剖分,由于特 别对网格质量进行了控制,最终的网格质量比较 好,可以保证比较高精度的计算结果.整个模型网 格按照边长为25mm的四边形和三角形划分.采 用四边形或三角形线性板壳单元,和8节点实体单 元相结合的方式建立有限元模型.为消弭板壳单 元节点与实体单元节点自由度不匹配的问题,采用 RIGID单元连接实体单元与板壳单元.板壳单元 厚度根据实际构架的钢板实际厚度,分为7mm, 8mm,10ram,12mm四种.板壳单元数:43092,实 体单元数:12610,RIGID单元数:665,节点数: 60726.模型网格如图3. 表1ST52—3材料参数表 Table1ThematerialparameterofST52—3 弹性模量E2.1×10MPa 泊松比” 密度d 极限强度标准值or 极限强度设计值or 屈服强度标准值. 屈服强度设计值or 0.29 7.8×10.kg/m 510MPa 480MPa 355MPa 3ooMPa 3.3计算载荷与工况 根据上海地铁1,2号线的技术规格书对转 向架所受载荷的要求,转向架构架设计所受作用力 的方向和作用点如图4所示,其中x轴的正向表 示构架的前进方向,Y轴的正向表示构架的左侧,z 轴的正向表示构架的上方.构架的载荷和位移的 正向与坐标系的箭头方向一致. 图3转向架构架有限元网格图 Fig.3Thefiniteelementmodelofthebogieframe 图4转向架承受荷载和荷载作用点示意图 Fig.4Thesketchofbogiemechanics 根据线路实测结果,电机垂向加速度在一1? 4.Og的范围内,电机横向加速度为?3.0g,电机纵 向加速度为?4.0g.由直流电机质量为1146kg, 可计算得转向架构架疲劳计算载荷如表2所示,电 机吊座垂向振动荷载(FZ3或FZ4)为33.7/一56. 2kN,横向振动载荷(FY1或FY2)为?33.7kN,纵 向振动载荷(FX3或FX4)为4-22.4kN.牵引拉杆 座纵向载荷(FX1或FX2)为-L-29.2kN,齿轮箱吊 座垂向载荷(FZ5或FZ6)为4-37.5kN.各个荷载 的取值均比原设计计算载荷大. 表2转向架构架疲劳计算载荷 Table2Therevisedfatiguedesignloadofthebogieframe 序号荷载名称与位置载荷符号疲劳载荷kN 2009年第5期金国龙,等:上海地铁1号线车辆转向架寿命预测数值分析863 表3疲劳载荷计算工况组合(kN) Table3Theworkingconditioncombinationsoffatigueloadings(kin) 工况FZ1FZ2FZ3或FZ4FY1或FY2FX3或FX4工况FZ1FZ2FX1或FX2FZ5FZ6 1—36.8—169.833.733.744.99—36.8—169.829.2—37.537.5 56.233.744.910—36.8—169.8—29.2—37.537.5 2—36.8—169.8— 3—36.8—169.833.7—33.744.911—36.8—169.829.237.5—37.5 4—36.8—1698—56.2—33.744.912—36.8—169.8—29.237.5—37.5 5—36.8—169,833.733.7—44.9 6—36.8—169,8—56.233.7—44.9 7—36.8—169.833.7—33.7—44.9 8—36.8—169.8—56.2—33.7—44.9 对构架同时施加运行过程中所承受垂向静载 荷,垂向动载荷,横向载荷,及模拟通过曲线侧滚时 的载荷等.根据表2的转向架构架的疲劳载荷,根 据载荷的方向不同,可以组成多种不同的载荷组合 工况,疲劳强度计算工况共有12种,如表3. 3.4基于线路实测载荷的转向架受力分析 对构架施加疲劳载荷,进行三维有限元分析, 得到车辆转向架应力云图.典型力云如图5一图8 所示.由计算结果可以发现,应力集中的位置与实 际裂纹产生位置是比较吻合的,在裂纹产生位置的 附近,确有很明显的应力集中现象. 图5电机吊座疲劳载荷工况下的应力云图 Fig.5Stresscontourunderthefatigueloadingcondition ofthemotorbracket 图6齿轮箱吊座下盖板承受疲劳载荷工况应力云图 Fig.6Stresscontourunderthefatigueloadingcondition ofthegear—boxbracket’Snethercoverboard 图7电机吊座下盖板疲劳载荷工况下的应力云图 Fig.7Stresscontourunderthefatigueloadingcondition ofthemotor’Snethercoverboard 图8牵引拉杆座承受疲劳载荷工况应力云图 Fig.8Stresscontourunderthefatigueloadingcondition ofdraftconnectionsupport 针对计算云图上应力集中位置和构架产生裂 纹部位,在构架应力集中区域进行采样点分析,分 别选取牵引拉杆座处的最大应力点165000,齿轮 箱下盖板处的最大应力点164825,齿轮箱上盖板 处的最大应力点168068,电机吊座上圆弧板处的 最大应力点1338773,1338736,电机吊座下盖板 处的最大应力点1328242.分别计算各采样点的 平均应力值和应力幅值,计算结果如表4所示. 将各采样点的平均应力值和应力幅值的坐标 对应点画在16Mn钢的Goodman线图上,如图9所 示,对构架进行疲劳强度评定.由分析可知,电机 吊座,牵引拉杆座,齿轮箱吊座下盖板处的三个应 864地下空间与工程第5卷 力采集点,落于Goodman曲线外(基于95%可靠度 的16Mn钢的Goodman曲线),其余所有采样点的 平均应力和应力幅的对应点,均在Goodman曲线 之内.而此三点的位置,恰恰为我们发现的裂纹产 生的最多的三个区域,说明在实际的运营荷载作用 下,此三个位置的疲劳强度是不足的,并且应力集 中的部位与构架实际出现裂纹的部位比较吻合,说 明计算结果比较可信,并且可以定性的认为裂纹确 为疲劳裂纹.构架的设计计算载荷过小是构架出 现裂纹的主要原因. 表4疲劳载荷工况下各节点的疲劳应力表(MPa) Table4Thefatiguestressoftheselectednodes underfatigueloading(MPa) 3?- 200—I/100,/ ///(hn/M 图9各采样点在Goodman图中的分布 Fig.9TheGoodmanscattergramoftheselectednodes 4电机吊座寿命预测分析 4.1计算基本设定条件及材料参数取值 地铁构架采用结构钢机械特性基本等同于我 国的16Mn低合金结构钢.由于缺乏ST52—3材 料的S—N曲线资料,本次应变疲劳寿命分析中采 用了16Mn低合金结构钢材料的S—N曲线资 料J.其采用的三参数S—N模型,表达式如下: lgN=11.92573—2.823091g(S一43.68) (5) 当N=2×10.时,代人公式(5),得 S=141.94MPa. 现用MM(ModifiedMiner)法则,对其进行亚疲 劳区的修正,修正后亚疲劳区当S…>141.94MPa 时的表达式为: lgN=19.54289—6.646181g(S…一43.68) (6) 通过MATLAB软件,S—N曲线绘制如图10. 600一? | 500一 4Oo一 300一 E ? 图10修正后的S—N曲线图 Fig.10TherevisedS—NCHIVe 4.2电机吊座危险点的名义应力及寿命 根据线路实测资料,电机吊座位置的垂向最大 加速度的范围为一5g,+3g,横向加速度的范围为 一 3g,+3g,纵向加速度的范围为一4g,+4g范 围. 将各个加速度所对应的振动荷载作用于如图 11所示的电机重心点上.进行有限元受力计算, 提取各个应力集中点的最大主应力值,认为此最大 主应力即为此加速度下的电机吊座危险点的名义 应力.将名义应力代人修正后的s—N曲线公式 (5),(6),即可得到局部危险点在此加速度值下, 所对应的不同寿命(假设设计的载荷为对称循环 加载情况下的载荷谱,即R=一1的情况),结果总 结于表5. 图11电机吊座单元网格图与电机重心位置示意图 Fig.11Thesketchofthemotor’Sgravitycenterand thegridgenerationofthemotorbracket 2009年第5期金国龙,等:上海地铁1号线车辆转向架寿命预测数值 分析865 表5电机吊座危险点在各个加速度下最大主应力的绝对值及其对应 寿命 Table5Thedangerouspoint’Sabsolutemajorprincipalstressvalueunderdiff erentaccelerations anditscorrespondinglifetimesofmotorbracket 删撒嗽槲劬臌撒 +3g153.991.44E+6+3g183.217.43E+5+4g148.221.68E+6 +2g102.665.95E+7+2g122.148.93E+6+3g111.172.43E+7 +1g51.334.67E+13+1g61.071.99E+11+2g74.114.84E+9 000O+1g37.06 — 1g51.334.67E-I-13一1g61.071.99E+11O0 — 2g102.665.95E+7—2g122.158.93E+6—1g37.06 — 3g153.991.44E+6—3g183.227.43E+5—2g74.114.84E+9 — 4g202.915.12E+5—3g111.172.43E+7 — 5g253.632.34E+5—4g148.221.68E+6 表6电机随机振动加速度频次数统计计算 Table6Thefrequencystatisticsofmotor’Srandomvibrationacceleration 4.3电机各向加速度频次统计 利用上海地铁一号线电机各振动方向随机加 速度统计表,来估算一年中,一个直流车电机吊 座所经历各向加速度的频次.试验数据是统计了 列车在运行210kin的情况下得到的,现假设一个 列车一年运营330天(35天用作备用车和进行检 修),运营时一天走行历程为400km.则一年下来, 平均一个车要走行132000km.根据S—N曲线特 性,对原测试数据进行修正,结果如表6所示. 4.4利用累计损伤理论进行电机吊座疲劳寿命预 测 利用Miner线性累积损伤理论,利用表5,表6 的数据.代入公式(2)得: 纵向加速度引起的年损伤量: =+ 10057.14 =4.14×10 横向加速度引起的年损伤量: n=+百3芝77T14丽2.9=7.608×10Uy743244278—2一 . ‘8926lO1.294一’ 垂向加速度引起的年损伤量: n一1墨墨:!!.:墨鱼上!!:一 234518.01.511975. 78’1442816.17 :6.904×10一 由计算结果可知,引起损伤的主要是垂向加速 度和横向加速度.纵向振动加速度引起的电机吊 座损伤量很小.其中横向加速度引起的损伤量比 垂向的还要大.而Siemens在最初设计中是假设 不考虑横向加速度的影响的.由此可见,这将引起 构架疲劳寿命的严重不满足要求. 将计算结果代入到Miner公式(4)中,即可估 算出寿命年限. =6.918(年) 利用名义应力法进行寿命预测理论得到的电 机吊座6.918年,是指其全寿命周期,其中包括从 裂纹形成,裂纹扩展和形成断裂的整个过程.其中 从完好构件至结构裂纹形成,占整个生命周期的绝 大部分.而我们一般观察到转向架出现裂纹的时 间即为其生命周期的第一部分,即从结构完好至形 成结构裂纹的时间.所以地铁列车转向架出现裂 866地下空间与工程第5卷 纹的时间是要小于6.918年的.考虑到实际运营 中,各向加速度是同时产生的,由此可能使我们计 算得到的应力是偏小的,估算为6年,这与我们实 际观测到的结果比较符合. 5结论 (1)转向架构架产生的裂纹主要是由于疲劳 强度不足产生的疲劳裂纹. (2)基于名义应力疲劳设计法,确定了电机吊 座的全寿命周期为6.918年,从结构完好至出现裂 纹的时间6年左右,与实际运营的情况比较符合. 需要对电机吊座这种距离振动源非常近的构件进 行改进,以满足3O年的寿命要求. (3)由年损伤量的计算可知,垂向振动和横向 振动是引起裂纹的主要因素.由于横向振动出现 的频率远高于垂向加速度,其损伤量甚至略大于垂 向振动损伤量. (4)电机吊座整体的应力水平还是比较低的, 不大于120MPa,远低于材料的屈服强度.但是在 上圆弧板位置,却都会出现比较严重的应力集中现 象,在垂向振动加速度为一5g时,电机吊座应力集 中危险部位的应力达到253.63MPa,需要对这个位 置的构件进行补强. 参考文献: [2] 上海地铁一号线列车技术规格书[M].上海:上海市 地铁总公司,1992(TechnicalSpecificationofShanghai MetroLineNo.1Train[M].Shanghai:ShanghaiMetro Company,1992.(inChinese)) 吴云文.地铁列车动车齿轮箱吊座裂纹失效分析 [D].上海交通大学硕士学位,2003.(WUYun— wen.TheCrackingFailureAnalysisforGear—-box BracketofMotorCarofShanghaiMetroTrain『D],A DissertationfortheDegreeofMasterinShanghaiJiao TongUniversity,2003.(inChinese)) [3]王建兵.上海地铁车辆转向架构架裂纹问题的研究 [D].北京交通大学硕士学位论文,2004.(WANG Jian.bing.TheCrackingAnalysisforBogieFrameof ShanghaiMetroTrain[D],ADissertationfortheDegree ofMasterinBeijingJiaoTongUniversity,2003.(inChi— nese)) [4]S.Dietz,H.Netter,D.Sachau,”FatigueLifePredic— tionofARailwayBogieunderDynamicLoadsThough Simulation”inVehicleSystemDynamic,29,385—402 (1998). [5]J.S.Kim,”FatigueAssessmentofTiltingBogieFrame forKoreanTiltingTrain:AnalysisandStaticTests’’in EngineeringFailureAnalysis,13,1326—1337 (2006). [6]J.S.Kim,N.P.Kim,”EvaluationofStructuralSafe— tyofATiltingBolster”inEngineeringFailureAnalysis, 14,63—72(2007). [7]姚卫星.结构疲劳寿命分析[R].北京:国防工业出版 社,2003.(YAOWei—xing.StructureFatigueLifetime Analysis[R].Beijing:NationalDefenseIndust~Press, 2003(inChinese)) [8]徐灏.疲劳强度[R].北京:高等教育出版社,1988. (XuHao.FatigueStrength[R].Beijing:HigherEdu— cationPress,1988(inChinese)) [9]王建斌,邬平波,陈喜红,等.16MnR板材对接接头疲 劳试验[J].机械工程,2008,44(3):39—43. (WANGJian—bin,wUPing-bo,CHENXi—hong,eta1. FatigueTestoftheButtJointsof16MnRBaseMaterial [J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,2008, 44(3):39—43.(inChinese)) [1O]程祖国,任惠利,朱剑月,等.地铁动车转向架牵引 电机垂向加速度谱统计分析[J].电力机车与城轨车 辆,2003,26(6):l4—15.(CHENGZu—guo,RENLi- hui,ZHUJian—yue,eta1.StatisticalAnalysisonMotor’S VerticalVibrationAccelerationofPowerBogie[J].E. 1eetrieLocomotives&MassTransitVehicles,2003,26 15.(inChinese)) (6):14— (上接第859页) [11]朱万成,唐春安,杨天鸿,等.岩石破裂过程分析 (RFPA2D)系统的细观单元本构关系及验证[J]. 岩石力学与工程,2003,22(1):24—29.(ZHU Wan?cheng,TANGChun—an,YANGTian—hong,eta1. Constitutiverelationshipofmesoscopicelementsusing inRFPA2Danditsvalidationsfj].ChineseJournalof RockMechanicsandEnDneering,2003,22(1):24 — 29.(inChinese)) [12]IJiL.C,TangC.A.,MaT.H.Researchontheclo. sureandcreepmechanismofcirculartunnels[J]. JournalofCoalScienceandEngineering(China), 2008,14(2):195—199.