货车车体疲劳载荷谱的编制及验证
浅谈重型卡车载荷谱采集与疲劳分析
交通科技与管理71技术与应用0 前言 随着我国基建和物流业的快速发展，重型卡车的销量快速增长。
疲劳耐久性对重型卡车的市场口碑极其重要，因此越来越受到重型卡车整车制造企业的重视。
整车疲劳耐久试验主要包括用户道路试验、试验场强化试验、室内台架试验和计算机虚拟疲劳试验。
用户道路试验因试验周期长，已基本被试验场强化试验取代。
试验场强化试验基于等效损伤原理，通过一系列典型强化路面对整车及零部件的疲劳耐久性进行验证。
通过采集目标用户道路与试验场典型强化道路载荷谱并进行疲劳损伤计算，可以得到两种道路的相对损伤关系并制订出与目标用户关联的试验场强化试验规范，从而达到加速试验的目的[1]。
室内台架试验是将加速编辑后的道路载荷谱作为输入，通过台架迭代获得试验台架加载谱，在室内台架上复现车辆在试验场道路试验时相同的失效和故障模式，可进一步缩短整车疲劳耐久试验周期。
计算机虚拟疲劳试验通过建立整车多体动力学模型并运用虚拟迭代技术，将载荷谱作为输入信号，在整车设计阶段即可对整车进行虚拟疲劳分析和寿命预测[2]。
因此，载荷谱是整车疲劳耐久性能研究的基础。
本文介绍了重型卡车试验场载荷谱采集与数据处理的基本方法，对基于载荷谱进行疲劳分析的基本原理进行了阐述。
1 采集系统 载荷谱采集系统参考表1所示。
表1 载荷谱采集系统序号设备名称用途/检测参数1nCode eDAQ 数采系统传感器连接、载荷谱采集2车轮六分力传感器车轮三垂直力和绕三垂力的力矩3应变片转向横位杆、悬挂、传动轴、车桥、驾驶室等关键部位应力4加速度传感器轴头、车架、驾驶室关键点、整车质心、动力总成悬置单向或三向加速度5位移传感器车轮相对车架位移6GPS 接收器车速、经度、纬度、海拔高度、行驶轨迹7逻辑开关作为更换试验工况的标志，用于后期对各道路数据进行分割8笔记本电脑采集过程数据监控，对采集数据进行检查、修正、分析 传感器测试点理论上越多越好，但是由于数采系统通道数及人力、物力、成本限制，测点选择尽量满足采集需要即可。
车辆载荷谱
车辆载荷谱
车辆载荷谱是指在车辆行驶过程中，不同时间和不同道路条件下所承受的各种荷载的统计分布规律。
它是研究车辆耐久性、疲劳破坏和安全性等方面的重要基础数据。
车辆载荷谱主要包括以下几个方面的内容：
1. 车辆荷载类型：车辆在行驶过程中所承受的荷载种类繁多，主要包括静态荷载、动态荷载、随机荷载等。
静态荷载主要是指车辆自身重量和货物重量；动态荷载是指车辆行驶过程中受到的空气阻力、路况不平引起的冲击力等；随机荷载是指车辆行驶过程中受到的各种偶然性荷载，如风载、波浪载等。
2. 车辆荷载分布：根据统计学原理，车辆荷载数据可以分为确定性数据和随机数据。
确定性数据是指具有明确数值的荷载数据，如车辆自身重量、货物重量等；随机数据是指具有不确定性和随机性的荷载数据，如车辆行驶过程中受到的空气阻力、路况不平引起的冲击力等。
3. 车辆荷载谱编制方法：车辆荷载谱的编制方法主要包括实测法、模拟法和统计法等。
实测法是指通过实地测量车辆在不同时间和不同道路条件下所承受的荷载数据，然后对这些数据进行统计分析；模拟法是指通过计算机模拟技术，模拟车辆在不同时间和不同道路条件下所承受的荷载数据；统计法是指通过对历史数据进行统计分析，得出车辆荷载的统计分布规律。
4. 车辆荷载谱应用：车辆载荷谱在车辆设计、车辆耐久性分析、车辆安全性评估等方面具有重要的应用价值。
通过对车辆荷载谱的研
究，可以更好地了解车辆在实际使用过程中的荷载分布规律，为车辆的设计和评估提供更为科学、准确的数据支持。
车身疲劳耐久评估方法简介
车身疲劳耐久评估方法简介不知道为什么小时候的我经常遇到需要弄断铁丝却没有老虎钳也没有小李飞刀的直接考验我智商的高光时刻。
虽然显然不能像非洲朋友那样牙咬手撕但我也不是没试过当然最后结局都是没成功。
后来可能是因为吃了家里唯一荤菜鸡蛋脑细胞发育了发现反复折弯再反复折弯铁丝就会突然断了。
至于铁丝为什么会突然断了我不知道反正就是断了。
再后来改革开放了日子好了能吃上猪肉了脑子也发育的差不多了其中的缘由也就慢慢的明白了。
一根铁丝，想要徒手拉断或者瞬间折断那几乎是不可能的，但是如果你将它反复折弯很多次便可以把它折断。
这其实就是铁丝被整疲劳了，发生了疲劳破坏。
因为铁丝等金属件在生产加工过程中会出现各种缺陷，比如宏观的气孔、杂质、表面划痕以及微观的晶体位错、滑移带等。
在外力作用下这些缺陷处会出现局部应力集中，当局部应力大于材料的屈服强度时便会萌生微裂纹，这些微裂纹在交变载荷作用下逐渐扩展，当扩展到一定程度时突然断裂。
铁丝的疲劳破坏过程中交变载荷水平较高，塑性应变起主导作用，疲劳寿命较短，属于应变疲劳或低周疲劳；当交变载荷水平较低，弹性应变起主导作用时，疲劳寿命较长，属于应力疲劳或高周疲劳。
高周疲劳在日常生活中更加普遍，因其交变载荷小，没有明显的塑性变形等前兆，不容易提前发觉，所以具有更大的危险性。
美国空军的一架F-15战斗机曾经在模拟空战时就出现了惊险的一幕，事故造成美军F-15战机大面积停飞，调查结果显示，事故起因于飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳破坏。
图1 F-15战机疲劳破坏（图片源自网络）汽车作为我们日常生活中非常重要的代步工具，也是由大量金属件构成的。
当汽车行驶在道路上时由于路面的不平整，车身结构会受到交变载荷作用，从而产生微裂纹并逐渐扩展。
为了保证车身在整个设计生命周期内不发生疲劳破坏，我们需要对车身结构进行疲劳耐久性能评估。
评估方法可分为试验法及CAE（Computer Aided Engineering）仿真分析法，实际的项目开发过程中，两种方法相结合使用。
货车车体疲劳试验载荷谱编制方法研究
货车车体疲劳试验载荷谱编制方法研究安中伟;赵方伟【摘要】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.【期刊名称】《铁道机车车辆》【年(卷),期】2014(034)006【总页数】4页(P54-57)【关键词】货车车体;疲劳试验;载荷谱;损伤【作者】安中伟;赵方伟【作者单位】铁道第三勘察设计院机车车辆所,天津300142;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044【正文语种】中文【中图分类】U272.2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。
基于实测载荷谱的整车疲劳开发与试验对比研究
基于实测载荷谱的整车疲劳开发与试验对比研究摘要：采集某试验车的试验场道路载荷谱，建立其多体动力学（Multi-body Dynamics，MBD）模型，提取底盘件及其与车身连接点的载荷。
通过有限元疲劳仿真分析，预测整车的寿命。
在试制样车完成后，分别开展试验场道路试验和整车四通道台架试验，将仿真分析结果与试验场试验和台架试验的结果进行对比。
结果表明，仿真分析的失效位置与两种试验的失效结果一致。
有限元疲劳仿真分析和台架试验可用于产品设计阶段，具有缩短开发周期和节约开发成本的优势。
关键词：道路载荷谱；多体动力学；疲劳仿真分析；台架试验中图分类号：U267文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.04.10近年来，我国的汽车工业发展迅速，产销量有了大幅提高。
与此同时，消费者对汽车的各项性能也提出了更加严苛的要求，其中的疲劳耐久性，由于涉及到汽车的安全性能，更是受到了制造商和消费者的高度重视。
在传统的汽车开发流程中，只有在样车试制结束后，才能开展一系列的道路试验，考核和验证其疲劳性能。
而往往很难通过一两次的设计变更和试制，就能保证产品达到设计目标，需要不断重复设计试制试验，给企业带来极大的研发成本支出，并使产品投放市场的时间滞后。
随着有限元技术、计算机硬件和数据采集技术的发展，基于实测道路载荷谱的疲劳性能开发技术，能够有效节约汽车产品研发成本，缩短研发周期。
其技术流程如图1所示。
本文以某轻型客车为例，论述了该技术路线中的道路载荷谱采集，有限元疲劳寿命预测和疲劳耐久台架试验等关键环节，并将仿真分析、台架试验和道路试验的结果相比较，验证了该方法的准确性和可行性。
1 道路载荷谱采集为了消除驾驶员的驾驶习惯和路面偶然因素对数据的影响[1]，道路载荷谱采集工作由3名驾驶员进行，每人采集5次。
在试验场的强化路路段，使用MSC六分力传感器获取4个车轮轮心处承受的3个方向的力（Fx，Fy，Fz）和转矩（Mx，My，Mz），如图2所示。
重型载货汽车前轴疲劳性能计算及试验验证
重型载货汽车前轴疲劳性能计算及试验验证作者：陈涛李海忠范文峰杨建磊徐铁娇来源：《计算机辅助工程》2013年第05期摘要：对比某重型载货汽车前轴台架刚度试验计算值与试验值，发现简化边界导致位移计算值偏大.对前轴台架试验的夹具进行测量并在Abaqus中建立其实体有限元模型，使得位移计算值和试验值误差在2.5%以内，从而保证疲劳计算输入的应力谱的准确性.根据前轴疲劳试验标准QC/T513—1999规定的工况，利用FEMFAT计算某重型载货汽车前轴的疲劳寿命，并与试验得到的破坏位置和寿命进行对比，验证疲劳计算的可靠性.在对前轴应力和疲劳计算结果进行分析的基础上，提出提高前轴疲劳寿命的改进建议.关键词：前轴；边界；应力谱； FEMFAT； Abaqus中图分类号： U463.33；TB115.1文献标志码： B引言前轴是载货车前桥的主要承载部件，通过悬架和车架相连接，两端安装车轮，用以在车架与车轮之间传递垂向力、纵向力和横向力.[1]汽车在行驶过程中，大部分时间匀速直线行驶，前轴主要承受垂向载荷，所以在对前轴进行设计计算和试验验证时，首先应进行竖直方向的台架疲劳仿真和试验.同时，由于髙周疲劳性能的计算，输入的参数一般是部件应力谱，所以部件应力计算结果的精度，对疲劳计算起决定作用.为得到准确的应力计算结果，对前轴台架试验的夹具进行详细测量，以保证仿真计算和台架试验的边界相同.将计算得到的位移和疲劳性能结果与试验值进行对比，修正计算模型，旨在建立虚拟仿真试验台架，在设计前期发现前轴的薄弱位置，并进行改进，减少试验次数和研发经费投入，缩短开发周期.1前轴计算模型的验证和修正由于一般有限元计算程序都基于位移元编写，即计算所得的直接结果是节点位移，然后再计算单元的应变和应力.[2]Abaqus软件对结构强度的计算程序也是基于位移元编写的，所以计算所得的位移结果最为准确.本文对计算得到的某载货车前轴位移结果与相应载荷下的试验结果进行对比，以验证计算模型的准确性，并对模型进行修正.1.1计算模型建立一般对于包含2个以上零部件有限元模型的简化，包含零部件模型简化（单元类型选择）、相互作用简化和边界简化等3部分.零部件模型简化主要解决的问题是把零部件简化成何种类型的有限单元.如果计算机硬件条件和项目进度允许，应尽量将关心的零部件选择为实体单元.为得到可以接受的结果，也可以根据1/10倍准则[3]，将板状结构模型简化为壳单元；将细长杆状结构模型简化为梁单元；对于不关心的零部件可以简化为刚性单元，以提高计算的效率.边界的简化和相互作用的简化原则是应符合零部件的实际受力和运动、变形关系.1.1.1计算模型简化前轴试验台架装置见图1.图 1前轴试验台架装置根据试验时前轴、转向节、转向节销、轴承和夹具的装配关系以及对各零部件形状和关注程度，初步确定除夹具简化为刚性约束外，其余选择实体单元类型.前轴与转向节之间通过圆锥滚子轴承连接，转向节可以相对前轴端部进行转动，为模拟转向节相对于前轴的运动关系，将轴承下底面和转向节结合为一体，轴承的上表面与前轴设为无摩擦接触（忽略轴承的摩擦阻力），其余接触为摩擦接触.为提高计算效率，减小计算规模，通过对夹具和台架的尺寸进行测量，将夹具简化为刚性连接，以夹具和台架的中心接触点作为控制点.在控制点处建立圆柱坐标系，控制夹具的边界为绕控制点做圆弧运动，同时建立方程约束，使左、右控制点处沿前轴方向的位移之和为0，以保证前轴在垂向载荷下相对于其中点横截面做对称弯曲运动.在前处理软件中对各零部件进行网格划分，前轴和转向节网格类型为C3D10M，轴承和转向节销的网格类型为C3D8R.计算模型见图2，节点数为15 932个.图 2前轴台架简化计算模型1.1.2截面属性和分析步的建立前轴台架装配体各零部件材料参数见表1.根据表1的材料参数值，建立各零部件的截面属性，并赋予相应的零部件，对前轴施加2.9 t载荷进行前轴竖直位移模拟试验.1.2竖直位移计算结果验证和模型修正在前轴刚度竖直位移试验中，5个位移测量点的位置见图3.前轴整体模型位移计算结果见图4，计算和试验得到的位移值见表2.通过对比可知，计算值与试验值的误差较大，最大误差为10.2%，且计算值都大于位移值.考虑到位移相对较小，夹具变形和边界简化会对计算结果有较大影响，所以建立夹具的实体模型，并将台架支撑部件简化为圆弧刚体模型（见图5），夹具与刚体之间建立接触边界，以更好地模拟实际运动情况.模型修正后的位移计算云图见图6，计算结果见表3.对比表3中计算值和试验值的误差可知，边界修正后，计算结果较为准确，最大误差为2.3%.2前轴疲劳计算和试验验证根据前轴疲劳试验标准QC/T 5131999[4]，利用Abaqus软件计算前轴在0.5和3.5倍设计载荷下的von Mises应力，结果见图7.利用FEMFAT软件对前轴进行疲劳寿命计算[5]，计算结果云图见图8和表4.（a）0.5倍载荷（b）3.5倍载荷图 7上、下限载荷工况下疲劳分析von Mises应力云图（a）疲劳试验前轴破坏位置（b）疲劳分析计算前轴破坏位置由图8可知，计算的危险点位置和试验疲劳破坏位置基本相同，而计算的疲劳寿命结果和实际试验的疲劳寿命结果存在着较大误差.原因主要包含2部分：计算输入的45号钢疲劳性能曲线通过其基本参数输入得到，而非试验所得；试验所用的前轴是锻造壳，在前轴的分型面上存在着较大的飞边，对前轴的表面质量存在较大影响.3改进建议前轴简化的弯矩见图9和10，可知，截面1和2处的弯矩是一样的，但是截面1是上大下小的工字形，截面2是相对于z轴对称的工字形截面.因此，1截面的中性层在y方向是中间偏上的，截面2的中性层大约在y方向的中间，所以截面1的应力分布较合理，截面2下部拉应力较大.建议改进弯角处的截面形状，尽量对称分布，使中性层在y方向中间或者偏下一点.图 9前轴竖直位移试验简化示意及弯矩图 10前轴截面竖直位移示意4结束语通过对前轴在台架试验工况下的竖直位移计算值与试验值对比以及模型简化分析，发现是否建立夹具模型以及整体模型边界的简化对位移结果有较大影响.修改计算模型，增加试验台架夹具模型，使得位移的计算结果和试验结果的最大误差为2.3%，从而保证应力谱计算的准确性.通过前轴疲劳计算破坏位置、寿命值与试验结果分析对比，验证疲劳计算的可靠性及虚拟疲劳台架的可行性.通过对疲劳试验和计算结果，结合前轴简化的弯矩和截面竖直位移示意的分析，提出改进弯角处的截面形状尽量对称分布，使中性层在y方向中间或者偏下一点的结构改进建议，以提高前轴疲劳寿命.参考文献：[1]黄伟，项林，刘晓辉. 汽车前轴有限元分析[J]. 广西大学学报：自然科学版， 2008，33（2）： 133137.[2]王勖成. 有限单元法（上）[M]. 北京：清华大学出版社， 2003： 8081.[3]庄茁，由小川，廖剑晖，等. 基于Abaqus的有限元分析和应用[M]. 北京：清华大学出版社， 2009： 111150.[4]QC/T 513—1999汽车前轴[S].[5]徐云峰，卢峥，徐志均. 基于FEMFAT的扭转梁式后桥疲劳强度研究[J]. 上海汽车，2011（8）： 711.（编辑武晓英）。
用小试样验证货车车钩载荷谱及评估13号车钩疲劳寿命
10139
16#
130
2 块加拉谱 4 级 1 668 772
22109
18#
130
2 块加拉谱 5 级 1 675 772
22118
表 3 试样简化 7 级拉伸试验谱 (谱时间 10 a)
平均值
1 750 522
21171
序 号 最大值 格
1
415
2
7153
3
9175
4
1717
5
9175
6
7153
试验研究
铁道车辆 第 38 卷第 4 期 2000 年 4 月
文章编号: 100227602 (2000) 0420008204
用小试样验证货车车钩载荷谱及 评估 13 号车钩疲劳寿命
薛向东, 张振淼, 逄增祯
(上海铁道大学, 上海 200331)
摘 要: 用小试样模拟钩舌局部区域应力状态, 分别按货车车钩拉、压程序载荷谱和该谱的简化谱进行疲劳试验, 所 得的疲劳寿命值与现场车钩运用调查统计值均相符合; 同时, 对 AA R 所推荐的恒幅载荷也进行了试样的疲劳试验。
关键词: 货车车钩; 载荷谱; 疲劳寿命; 等效损伤 中图分类号: U 270. 34 文献标识码: A
车钩是货物列车中最重要的承载件之一, 它直接 关系着列车的运行安全和可靠性。因此, 国内外铁路运 输部门对车钩的强度都有一定的要求。 美国和前苏联 在有关的规范中均提出车钩的载荷谱, 还对车钩的疲 劳试验和寿命提出要求和作出规定。 例如, AA R 曾对 车钩缓冲装置部件 (钩体、钩舌和钩尾框) 用恒幅载荷 (±900 kN ) 进行疲劳试验[1]。在我国, 为了适应铁路重 载、高速的要求, 80 年代曾立题对货车车钩的疲劳寿 命开展研究, 编制了货车车钩疲劳载荷谱[2], 进行了 13 号 车 钩 运 用 调 查 统 计 分 析 和 可 靠 性 评 估[3] 及 ZG230—450 铸钢材料疲劳断裂特性测试[4]等, 为车钩 疲劳寿命研究打下了基础。 但由于当时经费和试验设 备的限制, 未能进行实物车钩的疲劳试验验证, 因此, 所编制的载荷谱能否反映我国货物列车车钩运用的真 实工况, 与调查统计的 13 号车钩疲劳寿命值是否相符 等, 尚未得到验证。 为了解决这些问题, 笔者采用小试 样在高频疲劳试验机上进行模拟试验, 得出了许多有 用的结论。
疲劳载荷及分析报告理论 谱 寿命 设计 累积损伤
第3章疲劳载荷及分析理论 (1)3.1 疲劳载荷谱 (1)3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 (1)3.1.2 统计分析方法 (2)3.2 疲劳累积损伤理论 (3)3.2.1 概述 (3)3.2.2 线性累积损伤理论 (4)3.3起重机疲劳计算常用方法 (5)3.3.1 应力比法 (6)3.3.2 应力幅法 (6)3.4 疲劳寿命设计方法 (7)3.4.1无限寿命设计 (7)3.4.2 安全寿命设计 (8)3.4.3 损伤容限设计 (8)3.4.4 概率疲劳设计 (9)3.4 小结 (10)第3章疲劳载荷及分析理论疲劳载荷谱(fatigue load spectrum)是建立疲劳设计方法的基础。
根据研究对象的不同，施加在对象上的疲劳载荷也是不同的，所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。
3.1 疲劳载荷谱3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱载荷分为静载荷和动载荷两大类。
动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。
周期载荷和非周期载荷可统称为疲劳载荷。
在很多情况下，作用在结构或机械上的载荷是随时间变化的，这种加载过程称为载荷—时间历程。
由于随机载荷的不确定性，这种谱无法直接使用，必须对其进行统计处理。
处理后的载荷—时间—历程称为载荷谱。
载荷谱是具有统计特性的图形，它能本质地反映零件的载荷变化情况[]。
为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验，都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷谱。
实测的应力—时间历程包含了外加载荷和结构的动态响应的影响，它不仅受结构系统的影响，而且也受应力—时间历程的观测部位的影响。
将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱的过程称为编谱。
编谱的重要一环，是用统计理论来处理所获得的实测子样[]。
3.1.2 统计分析方法对于随机载荷，统计分析方法主要有两类：计数法和功率谱法[]。
由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值，因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则，将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环，这一简化的过程叫做计数法。
重载货车车钩疲劳试验载荷谱的编制方法
反映了载荷变化的局部细节 ，其由始终伴随在趋势 载荷 中的小 幅值循 环 载荷组 成 ，并且 趋势 载荷 恰恰
是 造成 车钩 疲劳损 伤 的 主要原 因 。因此 ，可通 过载 荷 的分解 解 决车 钩试 验载荷 谱 编制 中存在 的问题 。 本 文针 对不 同运行 工况 下 的车钩 载荷一 时 间历
车钩载荷 的特征分析
采 用高 精度测 力 车钩 和无 人值守 同步连续 测试 系统 ，对我 国某 运煤 专线 万 吨重载货 车完 整运 行过
要 是 通过 设 置载荷 门槛 值 的方 式舍 弃认 为不会 造 成 疲劳 损伤 的小 载荷 循 环 ，如舍 弃 载 荷 幅值 的 ５ ～
收稿 日 期 ：２ ０ １ ６ — ０ ７ — ３ ０ ；修订 日期 ：２ ｏ １ ６ — ０ ９ — ２ ６
基金项 目：中国铁 路总公 司科技研究 开发计划项 目 （ ２ ０ １ ５ Ｊ ０ ０ ７ － Ｍ） ；兰州交通 大学青年科学基金资助项 目 （ ２ ０ １ ４ ０ ２ ０ ） 第 一作者 ：薛 通讯作者 ：李 海 （ １ ９ ８ ３ ） ， 男 ，甘肃张掖人 ， 讲师 ，博士研究生 。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ：ｘ ｕ ｅ ｈ ａ ｉ ３ ５ ４ ＠１ ６ ３ ・ ｃ ｏ ｍ 强 （ １ ９ ６ ３ 一） ， 男 ，山西文水人 ，教授 ，博士研究生导师 。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ：ｑ ｌ ｉ ３ ＠ｂ ｊ ｔ ｕ ． ｅ ｄ ｕ － ｃ ｎ
中 图分 类 号 ：Ｕ２ ７ Ｏ ． １ ２ ；Ｕ２ ７ ｏ ． ３ ４ 文 献标 识 码 ：Ａ ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ４ ６ ３ ２ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ２ ． １ ６
装载机驱动桥试验载荷谱编制及整车疲劳寿命预测
现代制造技术与装备1642020第7期 总第284期目前，装载机驱动桥传动系疲劳寿命的验证主要参照国家相关标准在实验室进行单向加载的疲劳试验。
这种方法只能得到驱动桥传动系的疲劳寿命，无法与整机作业时间相关联。
另外，工程机械所承受的载荷多属随机载荷[1]，单向加载方式和装载机传动系统在实际工作中的往复承载情况并不相符。
因此，如何编制更科学、与实际情况更相符的试验载荷谱，并且把试验载荷谱的寿命与整车的疲劳寿命关联起来成为该领域研究的重点。
本文基于轮式装载机作业现场实测载荷数据的实际情况，提出一种驱动桥传动系实测载荷数据预处理、试验载荷谱编制以及整车疲劳寿命预测的方法，并通过驱动桥的台架试验结果计算装载机整车的疲劳寿命。
1 数据采集及处理1.1 数据采集本次传动系测试主要通过电测法测试驱动桥输入轴的转速和扭矩。
为了在试验中不改变传动系统的部件，在试验中转速的测量采用非接触式传感器。
传感器布置好后，分别对装载机常用工况物料进行铲掘作业，每种物料测试斗数不少于50斗。
1.2 测试数据的处理由于在测试过程中环境因素的干扰及人员误操作等因素，实测数据中会存在大量的冲击、干扰、噪声等成分。
因此，在编制载荷谱之前应该对测试数据进行预处理，以消除信号中的奇异值、趋势项等数据。
2 试验载荷谱的编制2.1 雨流计数载荷谱编谱方法的一个重要环节是对实测载荷时间历程进行计数统计。
目前，统计计数法主要有峰值计数法、穿级计数法、幅值计数法以及雨流计数法等。
其中，两参数雨流计数法是应用最广泛的一种计数方法[2]。
雨流计数是一种峰谷值的循环统计法，可将力载荷时间历程简化为一系列的全循环或半循环，完成随机变幅载荷的循环计数过程，并记录载荷的均值、幅值以及对应的载荷频次等信息。
本次数据处理均采用雨流计数统计方法统计所测的数据，得到对应的均值-幅值矩阵。
为了使编制的载荷谱既便于试验台加载，又可尽可能提高载荷谱的精度，在进行雨流计数处理时一般将载荷分为8级处理。
铁路货车车体载荷谱测试及疲劳强度评价
根据数据处理和分析结果，对铁路 货车车体的疲劳强度进行评估，给 出评估报告和建议措施。
04
铁路货车车体载荷谱测试 及疲劳强度评价结果
结果概述
成功获取了铁路货车车体的载荷 谱数据，包括运行过程中的动态
载荷和静态载荷。
通过测试和分析，确定了车体结 构疲劳强度的薄弱环节和易损部
位。
与国内外同类车型相比，该铁路 货车车体的载荷谱测试及疲劳强 度评价结果处于行业领先水平。
针对铁路货车车体载荷谱测试及疲劳强度评价的研究，有助于提高货车的可靠性 和安全性，降低事故风险。
研究内容与方法
研究内容
研究铁路货车车体的载荷谱测试，分析车体的疲劳强度，探讨载荷谱与疲劳强 度之间的关系。
研究方法
采用实验测试和数值模拟相结合的方法，对铁路货车车体进行载荷谱测试，利 用有限元分析软件对车体结构进行疲劳强度分析。
根据铁路货车车体的实际运行工况和载荷谱，制定相应的疲劳强度标准，包括最大应力、最小应力、 交变应力幅等指标。
评价过程与数据分析
载荷谱数据采集
通过铁路货车车体载荷谱测试 系统，采集车体在实际运行中 的载荷数据，包括垂向载荷、
横向载荷、纵向载荷等。
数据处理与分析
对采集的载荷数据进行处理和分析 ，提取出关键部位的应力谱，结合 疲劳强度标准进行评估。
结果分析与讨论
对获取的载荷谱数据 进行了细致的分析， 包括最大应力、应变 、疲劳寿命等参数， 并绘制了相应的曲线 图和表格。
根据分析结果，对车 体结构的疲劳强度进 行了评估，采用了多 种疲劳分析方法，如 雨流计数法、Miner 线性累积损伤准则等 。
通过与国内外同类车 型的比较，发现该铁 路货车车体在某些部 位的疲劳强度存在一 定差距，需要进行改 进和优化。
货车车体疲劳分析及建模方法.
货车车体疲劳分析及建模方法货车结构的疲劳可靠性问题是制约货车装备技术提升的关键因素,如果货车结构在显著低于设计寿命时过早低发生疲劳裂损,将使货车的维修费用居高不下,并危及行车安全。
货车在运行过程中,车体受到多种载荷的作用,用以往的评估方法即计算应力小于许用应力的静强度评估方法已经无法评定产品是否能够满足设计需要,因此有必要建立货车车体结构疲劳分析模型,对货车车体的疲劳可靠性进行研究分析。
本论文重点研究货车车体结构疲劳寿命分析方法,主要包括：适合于车体疲劳分析的有限元建模方法,如焊缝的有限元建模和子模型的应用等；疲劳载荷施加和名义应力确定；接头名义应力S-N曲线选取和疲劳寿命预测模型等。
本文以C80B车体为例,建立了该车体结构的疲劳分析模型,进行了心盘载荷、纵向载荷、侧滚载荷和扭转载荷四种载荷工况的模拟疲劳应力计算,并分别采用AAR、BS、IIW三种焊接结构疲劳设计标准预测了车体结构疲劳损伤和寿命,通过对结果比较和分析提出结构改善措施。
最后,应用子模型方法对枕梁下盖板弯角进行分析,提出修改建议,并对货车端墙侧柱区域的焊缝裂纹成因进行分析。
同主题文章[1].张萍. 延长货车车体寿命的专家系统' [J]. 国外机车车辆工艺. 2000.(04)[2].成良. 新造货车车体摇晃问题探讨' [J]. 铁道车辆. 1999.(05)[3].成燕武,王勇. 货车车体静强度试验中顶车工况试验方法的探讨' [J]. 铁道技术监督. 1998.(06)[4].А.Д.КОНЮХОВ,邢澍. 俄罗斯货车车体用高强度钢和铝合金' [J]. 国外铁道车辆. 2008.(03)[5].阳光武,肖守讷,金鼎昌. 货车旁承间隙对车辆动力学性能的影响' [J]. 中国铁道科学. 2007.(02)[6].杨松柏. 铁路货车用涂料的发展沿革' [J]. 中国铁路. 2008.(06)[7].谢素明,王惠子,李晓峰,兆文忠. 货车车体焊接结构疲劳寿命评估反问题研究' [J]. 铁道车辆. 2009.(11)[8].В.И.СЕЛИНОВ,高路. 货车转向架的双线性悬挂' [J]. 国外铁道车辆. 2008.(06)[9].远辉,谢素明,兆文忠,李向伟. 货车车体疲劳寿命预测系统的研制' [J]. 大连交通大学学报. 2008.(01)[10].谷新武. 谈与转向架有关的货车车体倾斜问题' [J]. 铁道车辆. 1989.(06)【关键词相关文档搜索】：载运工具运用工程; 货车车体; 焊接结构; 有限元建模; 疲劳损伤; 疲劳寿命【作者相关信息搜索】：北京交通大学;载运工具运用工程;谢基龙;白燕;。
c70车体模拟疲劳试验载荷谱编制方法
应力集中部位和易损部位。
03
根据应力分析结果，编制相应的疲劳试验载荷谱，为
模拟疲劳试验提供依据。
04
基于疲劳累积损伤理论的载
荷时间历程编制
疲劳累积损伤理论
线性累积损伤理论
该理论认为在交变应力作用下，材料的疲劳损伤是线性累积 的，当损伤累积到一定程度时，材料发生疲劳断裂。
非线性累积损伤理论
该理论认为材料的疲劳损伤是具有非线性特征的，在交变应 力作用下，材料的疲劳损伤不是简单累加的，而是存在损伤 的门槛和界限值。
载荷循环计数与分级
基于雨流计数法，将试验过程中采集的应力-应变 数据进行分析和处理，得到一系列循环载荷。
对这些循环载荷进行统计和分析，可以得到载荷 循环的次数和大小分布，进而对载荷进行分级。
载荷循环的计数和分级是编制载荷谱的关键步骤 ，直接影响到疲劳试验的结果和质量。
载荷循环的修正与优化
1
由于实际试验过程中可能存在各种误差和干扰因 素，需要对载荷循环进行修正和优化。
c70车体主要由底架、侧 墙、车顶、端墙等组成。
结构形式
采用无中梁整体承载结构 形式，底架和车体钢结构 通过各种连接方式形成整 体承载结构。
结构特点
车体结构具有强度高、刚 度大、重量轻、寿命长等 特点，能够适应长期服役 的要求。
服役工况分析
运行工况
c70车体在运行过程中，会受到各 种动态载荷的作用，如牵引力、 制动力、离心力等。
对比分析c70车体在实际运营中采集到的 载荷谱数据与实验室模拟得到的载荷谱 数据，确保模拟数据的真实性及准确性 。
VS
载荷谱精度评估
通过对比分析实验室模拟载荷谱与实际运 营载荷谱的细节特征，评估实验室模拟载 荷谱的精度。
装载机工作装置疲劳试验载荷谱编制方法
装载机工作装置疲劳试验载荷谱编制方法万一品１㊀宋绪丁１㊀员征文２㊀郁录平１１．长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,西安,７１００６４２．徐工集团江苏徐州工程机械研究院,徐州,２２１００４摘要:为研究装载机工作装置疲劳性能,提出了一种考虑分段载荷均值特性的工作装置疲劳试验程序载荷谱的编制方法,采集了４种典型物料铲装作业时工作装置的销轴载荷信号,并将销轴载荷转化为铲斗斗尖处的当量载荷.根据载荷特性,将每个作业周期分为空载行进㊁物料铲装㊁满载运输和物料卸载４段,完成了载荷的平稳性检验.采用雨流计数法分析各个作业段载荷的均幅值分布特性,结果表明:４个作业段的载荷均值服从正态分布,幅值服从三参数威布尔分布,且均值和幅值分布相互独立.对载荷进行频次外推和合成,并根据均幅值概率分布函数和波动中心法,编制了工作装置８级二维载荷谱和变均值疲劳试验程序加载谱.提出的载荷谱编制方法和结果可为装载机工作装置结构寿命预测及疲劳可靠性台架试验提供参考.关键词:装载机;工作装置;斗尖当量载荷;载荷谱;疲劳试验中图分类号:T H ２１４．３D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４ １３２X．２０１７．１５．００７C o m p i l a t i o n M e t h o do f F a t i g u eE x p e r i m e n t a l L o a dS p e c t r u mo fL o a d e rW o r k i n g De v i c e s WA N Y i p i n １㊀S O N G X u d i n g １㊀Y U A NZ h e n g w e n ２㊀Y U L u p i n g１１．K e y L a b o r a t o r y o fR o a dC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y &E q u i p m e n t o fC h a n g a nU n i v e r s i t y,M i n i s t r y ofE d u c a t i o n ,X i a n ,７１００６４２．E n g i n e e r i n g M a c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e o fX u z h o uC o n s t r u c t i o n M a c h i n e r y G r o u p,X u z h o u ,J i a n gs u ,２２１００４A b s t r a c t :I no r d e r t o s t u d y t h e f a t i g u e p e r f o r m a n c eo f t h e l o a d e rw o r k i n g de v i c e s ,am e t h o dw a s p r o p o s e d c o n s i d e r i n g t h e l o a dm e a n c h a r a c t e r i s t i c sf o r t h e p r e p a r a t i o no f l o a d s p e c t r u mo f f a t i gu e t e s t p r o g r a m．T h e l o a d s o f t h e p i n i n４t y p i c a lm a t e r i a l s h o v e l l o a d i n g o pe r a t i o n sw e r e c o l l e c t e d ,a n d t h e p i n l o a d sw e r e c o n v e r t e d t o e q u i v a l e n t l o a d s a t t h e t i p of t h e b u c k e t ．A c c o r d i ng t o th e l o a d c h a r a c t e ri s Ｇt i c s ,e a c h o p e r a t i o n p e r i o dw a s d i v i d e d i n t o ４s e c t i o n s ,w h i c hw e r e n o l o a d t r a n s p o r t a t i o n ,s h o v e l d i gＧg i n g o p e r a t i o n ,h e a v y l o a dt r a n s p o r t a t i o na n du n l o a d i n g o p e r a t i o n ．T h er a i nf l o wc o u n t i n g me t h o d w a s a d o p t e dt oa n a l y z et h e m e a nv a l u ed i s t r i b u t i o n sa n da m p l i t u d ed i s t r i b u t i o n sof t h e４s e c t i o n a l l o a d s ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ed i s t r i b u t i o n so f l o a d m e a na n da m p l i t u d ea r e i n d e p e n d e n t a n do b e y n o r m a l d i s t r i b u t i o n a n d W e i b u l l d i s t r i b u t i o nw i t h t h r e e Ｇp a r a m e t e r s r e s p e c t i v e l y ．F r e q u e n c i e sw e r e e x Ｇt r a p o l a t e d a n d s y n t h e s i z e d a n d t h e l o a d s p e c t r u mo f t h e ８s t ag e l o a ds p e c t r u ma n d th ev a ri a b l em e a n f a t i g u e t e s t p r o g r a m w e r ew o r k e do u t a c c o r d i n g t o t h em e a na m p l i t u d e p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n f u n c Ｇt i o na n d t h ew a v e c e n t e rm e t h o d ．T h em e t h o d a n d r e s u l t s o f l o a d s p e c t r u mc o m p i l a t i o n p r o v i d e r e f e r Ｇe n c e s f o r f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o na n d r e l i a b i l i t y b e n c h t e s t o f t h e l o a d e rw o r k i n g de v i c e s ．K e y wo r d s :l o a d e r ;w o r k i n g d e v i c e ;t i p e q u i v a l e n t l o a d ;l o a d s p e c t r u m ;f a t i g u e e x p e r i m e n t 收稿日期:２０１６１０１０基金项目:国家科技支撑计划资助项目(２０１５B A F ０７B ０２);中央高校基本科研业务费资助项目(３１０８２５１７５００９,３１０８２５１６３４０７)０㊀引言在装载机作业过程中,工作装置会受到连续的随机载荷作用.工作装置在设计阶段通常需要基于寿命理论进行产品可靠性分析,在寿命预测及可靠性台架试验前,必须确定与工作装置实际作业工况相符的载荷谱[１].利用实测载荷时间历程编制的载荷谱在室内台架试验中可以较好地再现工作装置所承受的随机载荷,且能提高试验效率,因此,在处理随机载荷时,常用程序载荷谱来表示结构所受载荷时间历程[２Ｇ３].航空和汽车领域对载荷谱的研究已相对成熟,如闫楚良等[４]借助当量寿命概率分布,保持载荷时间历程与状态参数一致,编制了飞机结构的疲劳载荷谱;于佳伟等[５]在汽车室内模拟试验中,将汽车实测载荷时间历程编制成试验用载荷谱,并将其应用于整车耐久性试验中.对装载机载荷谱的研究多集中在传动系,张云龙等[６Ｇ７]参照飞机的 飞续飞 编谱策略,编制了装载机传动系 铲续铲 的分段载荷谱;文献[８]应用雨流计数法和数理统计法编制了汽车车身台架疲劳程序载荷谱,通过强度分析验证６０８１ 中国机械工程第２８卷第１５期２０１７年８月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.了程序谱的有效性.对装载机工作装置载荷谱编制方法的相关研究较少,本文基于实测的铲斗销轴处载荷时间历程,建立铲斗斗尖载荷当量模型并获得了斗尖载荷;用雨流计数法统计分段载荷的均值㊁幅值与频次的关系;对各段载荷频次进行时域扩展,考虑了载荷均值的影响,编制了工作装置８级二维载荷谱和疲劳试验程序加载谱.１㊀工作装置载荷测试与信号处理１．１㊀载荷测试试验试验样机选择Z L ５０型装载机,采用销轴传感器测量动臂与铲斗铰接点处载荷,由拉杆拉力确定拉杆与铲斗铰接点处载荷,通过位移传感器测量动臂油缸和摇臂油缸位移,确定工作装置作业姿态.散状物料选择黏土㊁大石方㊁小石方和砂子,在国内某工程机械铲运试验场内进行铲装测试.选择L 形铲装作业路线,按照作业特点将其分为空载行进㊁物料铲装㊁满载运输和物料卸载４段.以效率最高为原则,对４种散状物料进行铲装作业,测得动臂与铲斗铰点力㊁拉杆力以及油缸位移等时间历程信号.根据传感器标定试验结果,将实测电压与应变信号转换为力信号[９].黏土物料各测点某段载荷时间历程如图１所示.(a)动臂与铲斗左侧铰点力时间历程(b)动臂与铲斗右侧铰点力时间历程(c)拉杆力时间历程１．摇臂油缸位移㊀２．动臂油缸位移(d)油缸位移时间历程图１㊀黏土工况下各测点载荷时间历程F i g ．１㊀L o a d t i m e h i s t o r y o f e a c hm e a s u r i n gpo i n t u n d e r p r i m a r ys o i l c o n d i t i o n 由图１可知,各测点载荷随铲装作业呈明显的周期性变化,参照油缸位移变化,动臂与铲斗左右两个铰点力在空载行进和满载运输段呈现平稳变化,且满载运输段载荷均值明显大于空载段载荷均值,而大载荷出现在物料铲装和物料卸载作业段,这与实际作业过程中的载荷变化保持一致,表明所测载荷时间历程能够反映装载机工作装置作业过程中真实的受力特性.１．２㊀载荷信号预处理在铲装作业测试过程中,恶劣的外界工作环境会对测试信号产生一定的干扰,使得载荷时间历程中出现较为明显的异常峰值点.综合运用n C o d e 软件中提供的梯度门限法㊁幅值门限法和标准方差法进行奇异点的辨别与剔除.随着测试时间的推移,传感器及测试仪器自身的零点漂移使得各测点载荷时间历程波形出现偏移现象,可通过最小二乘法来消除线性趋势项.以动臂与铲斗左铰点载荷为例,剔除奇异值和去零点漂移之后的结果如图２所示.(a)线性趋势项(b)预处理后左侧铰点力时间历程图２㊀预处理后左侧铰点载荷时间历程F i g ．２㊀L o a d t i m e h i s t o r y o f l e f t h i n ge p o i n t af t e r p r e t r e a t m e n t对比图１和图２可知,通过预处理后的数据剔除了载荷奇异值,消除了载荷时间历程中的零点漂移现象,保留了反映工作装置受力特性的载荷时间历程数据,为载荷特性分析和载荷谱编制工作打下了基础.２㊀斗尖当量载荷与分段装载机工作装置疲劳可靠性台架试验中,固定工作装置姿态,将所测载荷等效至该姿态下,用作动器施加当量外载荷.工作装置在铲掘物料时刻受到的外载荷最大,根据文献[１０]中给出的疲劳试验方案,在工作装置处于铲掘姿态且铲斗处于水平位置时,将铲斗上的３个铰接点的力等效到铲斗中心斗齿的斗尖处.根据动臂油缸和摇臂油缸位移确定工作装置瞬时姿态以及铲斗相对于水平位置７０８１ 装载机工作装置疲劳试验载荷谱编制方法万一品㊀宋绪丁㊀员征文等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.时的旋转角度,将动臂与铲斗两个铰点以及拉杆与铲斗铰点处的外载荷转化到该姿态下铲斗铰孔处的载荷[１１],此时铲斗的受力模型如图３所示.图３㊀水平姿态下铲斗受力模型F i g．３㊀T h e f o r c em o d e l o f t h e b u c k e t i n t h e h o r i z o n t a l a t t i t u d e图３中,A １㊁A ２分别为铲斗上与动臂连接的左右两个铰孔,B 为铲斗上与拉杆连接的铰孔,l １㊁l ２㊁l ３㊁l ４和l ５为３个铰孔之间以及铰孔与铲斗中心斗齿斗尖之间的相对距离.根据理论力学[１２]知识,以图３中箭头所指方向为正,得到斗尖F x ㊁F y ㊁M x ㊁M y 和M z 的当量载荷时间历程结果,如图４所示.(a)斗尖当量力的时间历程(b)斗尖当量弯矩的时间历程１．x 方向㊀２．y 方向㊀３．z 方向图４㊀斗尖当量载荷结果F i g ．４㊀T i p e qu i v a l e n t l o a do f t h e b u c k e t 物料铲装作业过程中,装载机工作装置不断变化姿态,从而实现物料铲装运输及卸料,这种周而复始的作业循环使得被测载荷参数呈现明显周期变化.但是装载机作业环境恶劣多变,工作装置承受的载荷波动较为剧烈,并且不同物料的密度㊁黏性差异较大,使得工作装置不同作业段的载荷也呈现出明显的分段特性.由此,将一个作业周期内的载荷分为空载行进㊁物料铲装㊁满载运输和物料卸载４个作业段,以基本作业段为单位进行载荷平稳性分析和载荷谱的编制.连续铲装作业中,一个作业段的结束即下一作业段的开始,根据载荷变化特性和油缸位移变化,对载荷时间历程进行分段的判别准则见表１.表１㊀斗尖载荷分段判别准则T a b ．１㊀S u b s e c t i o n c r i t e r i o n s o f t h e b u c k e t t i pl o a d 作业段作业段终止判别准则S １铲斗低位水平姿态且摇臂油缸开始伸长前１s 左右S ２动臂油缸伸长,使铲斗处于水平运输姿态的时刻S ３动臂油缸最长时摇臂油缸开始收缩的时刻S ４摇臂油缸最短且动臂油缸开始收缩的时刻㊀㊀记录所测４种物料每个循环周期中各作业段终止时对应的时刻,即可实现作业段划分.利用轮次法和假设检验法[１３]对分段拼接后载荷时间历程进行平稳性和各态历经性检验后可知,各作业段的载荷信号是平稳的和各态历经的,可以取满足统计误差要求的一定数量作业斗数的样本数据来统计推断或代替总体.３㊀载荷谱编制３．１㊀工况合成与雨流计数不同工况下工作装置受到的载荷会有明显差异,若以单一物料的铲装试验结果进行统计编谱,会遗漏某些载荷特性,不能准确反映工作装置实际受力变化,需要按照主要典型物料在装载机实际使用过程中的工作比例进行工况合成.统计企业调研结果,在１００斗的样本数据中,黏土工况为４０斗,大石方工况㊁小石方工况和砂子工况均为２０斗.将４种物料不同作业段的载荷数据按照时间比例进行分段数据合成.选用雨流计数法对斗尖当量载荷时间历程进行统计计数.铲斗斗尖y 方向当量载荷在物料铲装作业段的３２级雨流计数均值幅值三维柱状图如图５所示.图５㊀物料铲装作业段雨流计数结果F i g ．５㊀R a i n f l o wc o u n t i n g re s u l t s of t h em a t e r i a l l o a d i ng o pe r a t i o n s e c t i o n ３．２㊀载荷分布规律根据雨流计数结果,求出均值幅值联合概率密度函数,分析载荷分布规律.工程实际中,常假设均值概率分布和幅值概率分布分别服从正态分布和威布尔分布[１４].按照费歇定理,在均值㊁幅值分布相互独立时,两个随机变量近似服从自由８０８１ 中国机械工程第２８卷第１５期２０１７年８月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.度为(r －１)(s －１)的卡方分布χ２,则有χ２＝m ðri ＝１ðsj ＝１(m i j －１m m i m j )２m i m j(１)式中,m 为样本容量;r ㊁s 分别为均值和幅值的分级数;m i 为均值在第i 级的频次数;m j 为幅值在第j 级的频次数;m i j 为均值在第i 级且幅值在第j 级的频次数.卡方分布由正态分布构造而成,自由度很大时,卡方分布近似服从正态分布,自由度为n 的卡方分布χ２的上α分位数可由标准正态分布的上α分位数U α通过下式近似求得:χ２α(n )ʈ２n U α＋n(２)取显著性水平α为０．０５,根据雨流计数结果和式(１),斗尖当量载荷在４个作业段的χ２值均小于χ２０．０５(３９６９),表明在显著水平为０．０５时的分段载荷均值㊁幅值随机变量相互独立.此时均值幅值联合概率密度函数f (x ,y )＝１σ２πe x p(－(x －u σ２)２)γβ(y －εβ)γ－１e x p(－(y －εβ)γ)(３)式中,x ㊁y 分别为载荷均值和幅值;σ㊁u 分别为正态分布的标准差和均值;γ㊁β㊁ε分别为威布尔分布的形状㊁尺度参数和阈值.以斗尖y 方向物料铲掘段当量载荷雨流计数结果为例,均幅值直方图以及利用线性回归最小二乘法按照正态分布和威布尔分布拟合曲线分别如图６a和图６b 所示.(a)均值频次直方图(b)幅值频次直方图图６㊀均值和幅值频次直方图与分布拟合F i g ．６㊀M e a nv a l u e a n da m p l i t u d e f r e q u e n c y h i s t o g r a ma n dd i s t r i b u t i o n f i t t i n g re s u l t s 由图６可知,斗尖y 方向当量载荷的均值分布的均值估计量为４．５３９k N ,标准差估计量为４８．２９k N ;幅值分布的形状参数估计量为１．２４７,尺度参数估计量为３９．５８,阈值估计量为５．４５９.４个作业段的分布参数估计量见表２.表２㊀均值幅值分布拟合参数T a b ．２㊀F i t t i n gpa r a m e t e r s o fm e a nv a l u e a n d a m pl i t u d e d i s t r i b u t i o n 作业段均值分布幅值分布均值(k N )标准差(k N )形状参数尺度参数阈值参数S １－２８．３９１３．３０１．５０８１０．９８２．１２６S ２４．５３９４８．２９１．２４７３９．５８５．５４９S ３２６．７１２２．０６１．４４９１４．５７２．８３３S ４－６１．９７５３．７０１．１４３６８．６２６．７７５３．３二维谱与试验谱编制１００斗样本数据容量有限,不能够代表总体中发生次数较少的大载荷,因此,需要对每一个作业段的载荷累计频次进行扩展,使其达到１０６次循环,从而再现更加真实的载荷时间历程.累计频次扩展计算公式[１５]为N ᵡη＝１０６N η/N ᶄ(４)η＝１,２,３,４式中,N ᵡη为第η个作业段扩展后的载荷累计频次数;N η为第η个作业段的载荷累计频次数;N ᶄ为１００斗样本的总累计频次数.空载㊁物料铲装㊁运输和卸载４个作业段扩展后的累计频次数分别为３４２７３１㊁１４２７３８㊁４２１２５７和９３０３８.由于试验条件及测试样本长度的限制,需要运用统计学理论推断极值载荷.由前文分析可知,斗尖当量载荷的均值和幅值相互独立且分别服从正态分布和三参数威布尔分布,推断出均值和幅值的最大值即可得到载荷极值.由均值幅值联合概率密度函数和极值载荷发生概率P 以及标准正态偏差u P ,分别得到均值极值F x m a x 和幅值极值F y m a x 的计算公式:F x m a x ＝u P σ＋u (５)F y m a x ＝ε＋γβ－ln P (６)求得均值和幅值的极值后,需要将连续的载荷累计频次曲线转换为易于实现的阶梯型二维载荷谱.将载荷谱分为８级能够准确反映载荷疲劳效应[１６].８级二维载荷谱中,均值区间以均值的最大值为准采用等间隔划分,幅值区间以幅值最大值为基础采用比值系数法进行非等间隔划分,各级比值系数分别为１㊁０．９５㊁０．８５㊁０．７２５㊁０．５７５㊁０．４２５㊁０．２７５和０．１２５.对应第i 级均值和第j 级幅值区间的载荷循环数N i j 由均幅值联合概率密９０８１ 装载机工作装置疲劳试验载荷谱编制方法万一品㊀宋绪丁㊀员征文等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.度函数f (x ,y )和下式求得:N i j ＝N ᵡηʏτi ＋１τiʏτj ＋１τjf (x ,y )d x d y(７)式中,τi ㊁τi ＋１分别为第i 级均值载荷的下限和上限;τj ㊁τj ＋１分别为第j 级幅值载荷的下限和上限.斗尖y 方向当量载荷物料铲掘作业段８ˑ８级二维载荷谱见表３.表３㊀y 方向当量载荷物料铲掘段二维载荷谱T a b ．３㊀T w o Ｇd i m e n s i o n a l l o a d s p e c t r u mo f t h e e qu i v a l e n t l o a d i n y d i r e c t i o n i n s h o v e l i n g se c t i o n 载荷幅值(k N )４３９４．６１４６．２１９７．８２４９．４２９２．４３２６．８３４４载荷均值(k N )－１６５６５８４２５４１０００－１１５１１３４１４７９４３７７６１０１００－６５７３０６９５３１２８２１４９５６４６１０－１５１７５１１２２８４５６７６１１１８７１５３１５２１３５１５７３２２０５２６６０７５１０６６１３８１３２０８５５２９４６９０６２０４４３５９４６５１０１３５６６０８６２２５５４４６１００１８５３０３９１２２００００㊀㊀二维载荷谱能够较好地模拟实际载荷,但是由于载荷均值变化的存在,结构件台架试验时却难以实现二维谱的加载,故根据波动中心法,将二维载荷谱转化为均值恒定的一维试验加载谱.按照上述编谱方法,对其他３个作业段中斗尖y 方向当量载荷进行编谱.y 方向斗尖载荷４个作业段一维试验谱见表４.表４㊀y 方向斗尖载荷４个作业段一维试验谱T a b ．４㊀O n e Ｇd i m e n s i o n a l p r o g r a ml o a d i n g s pe c t r u mof t h e b u c k e t t i pl o a d i n t h e f o u r s e c t i o n s 载荷谱等级１２３４５６７８S １幅值(k N )５４５１．３４５．９３９．２３１．２２２．９１４．８６．７５频次１１４８５７７１５７２０３４４３９１３９６９３１４１１６５S ２幅值(k N )１７２１６３．４１４６．２１２４．７９８．９７３．１４７．３２１．５频次１６４１４１８３２３３１８４３０６２２７２４７７３２S ３幅值(k N )９９９４．１８４．２７１．８５６．９４２．１２７．２３１２．３８频次１２１５１１４８１２６１１６４９２８４２４１５０９S ４幅值(k N )２４９２３６．６２１１．７１８０．５１４３．２１０５．８６８．５３１．１频次１２１９９４９９２１８５８７６７３０７１９４５１１４㊀㊀考虑载荷加载顺序的影响[１７],以实际铲装作业过程分段为顺序,在每个作业段内采用低高低的顺序采取铲装㊁运输㊁卸载和运输分段的方式加载.根据波动中心法,将每一个作业段的载荷均值作为波动中心,再将该作业段的幅值叠加在均值上,按照低高低的加载顺序,对各级载荷分１０次进行加载即可.装载机工作装置斗尖y 方向当量载荷程序加载谱如图７所示.图７㊀y 方向当量载荷程序加载谱F i g ．７㊀P r o g r a ml o a d i n g s p e c t r u mo f e qu i v a l e n t l o a d i n y d i r e c t i o n４㊀结论(１)试验测试了真实环境中４种不同物料工况下装载机工作装置销轴和拉杆载荷信号,通过滤波降噪去奇异值等预处理,保留了反映工作装置真实受力特性的载荷时间历程数据.建立了铲斗斗尖载荷当量模型,将铲斗各铰点对作业姿态不断变化的载荷等效为斗尖载荷,此时工作装置作业姿态与斗尖载荷方向相对地面固定,为实现工作装置疲劳台架试验的载荷施加打下了基础.(２)对斗尖当量载荷进行分段,实现了各作业段载荷的平稳性检验;用雨流计数法统计物料铲装作业段均值㊁幅值与频次关系,载荷均值频次服从正态分布,载荷幅值频次服从三参数威布尔分布,且载荷均幅值分布相互独立.根据雨流计数和统计结果,对各工作段载荷频次进行时域扩展,实现了８级二维载荷谱的编制;采用波动中心法按照低高低的加载顺序得到了斗尖y 方向的疲劳试验程序加载谱,为装载机工作装置台架试验和疲劳寿命预测提供了依据.参考文献:[１]㊀高镇同．疲劳应用统计学[M ]．北京:国防工业出版社,１９９４．G A O Z h e n t o n g ．S t a t i s t i c s i nF a t i g u e [M ]．B e i j i n g :N a t i o n a lD e f e n s e I n d u s t r y P r e s s ,１９９４．[２]㊀L E EYL ,P A NJ ,HA T HAWA Y R B ,e t a l ．F a Ｇt i g u eT e s t i n g a n dA n a l y s i s (T h e o r y a n dP r a c t i c e )[M ]．B u r l i n g t o n :E l s e v i e rB u t t e r w o r t h ＧH e i n e m a n n ,２００５．[３]㊀万一品,贾洁,梁佳,等．装载机工作装置结构强度分析与试验研究[J ]．机械强度,２０１６,３８(４):７７２Ｇ７７６．WA N Y i P i n ,J I AJ i e ,L I A N GJ i a ,e t a l ．S t r u c t u r a l S t r e n g t h A n a l y s i sa n d E x p e r i m e n t a l R e s e a r c hf o r W o r k i n g De v i c e of L o a d e r [J ]．J o u r n a l o fM e c h a n i c a l S t r e n gt h ,２０１６,３８(４):７７２Ｇ７７６．０１８１ 中国机械工程第２８卷第１５期２０１７年８月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.[４]㊀闫楚良,高镇同．飞机高置信度中值随机疲劳载荷谱的编制原理[J]．航空学报,２０００,２１(２):１１８Ｇ１２３．Y A NC h u l i a n g,G A OZ h e n t o n g．C o m p i l a t i o nT h e oＧr y o fM e d i a nS t o c h a s t i cF a t i g u eL o a dＧs p e c t r u m w i t hH i g hC o n f i d e n c eL e v e l f o rA i r p l a n e[J]．A c t aA e r oＧn a u t i c aE t A s t r o n a u t i c aS i n i c a,２０００,２１(２):１１８Ｇ１２３．[５]㊀于佳伟,郑松林,赵礼辉,等．整车室内道路模拟试验用载荷谱的编制方法研究[J]．机械工程学报２０１５,５１(１４):９３Ｇ９９．Y U W e i j i a,Z H E N G S o n g l i n,Z HA O L i h u i,e t a l．R e s e a r c h o n S p e c t r u m D e v e l o p m e n t M e t h o d o l o g yf o rV e h i c l e I n d o o rR o a dS i m u l a t i o nT e s t[J]．J o u r n a lo fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２０１５,５１(１４):９３Ｇ９９．[６]㊀张云龙,诸文农,殷永光,等．装载机驱动桥半轴随机载荷分析及其载荷谱编制方法探讨[J]．工程机械,１９８８,１９(８):１９Ｇ２３．Z HA N G Y u n l o n g,Z HU W e n n o n g,Y I N Y o n gＧg u a n g,e t a l．R a n d o m L o a dA n a l y s i so fD r i v eA x l eS h a f t i nS h o v e lL o a d e ra n daS t u d y o fL o a dS p e cＧt r u m P r e p a r a t i o n[J]．C o n s t r u c t i o n M a c h i n e r y a n dE q u i p m e n t,１９８８,１９(８):１９Ｇ２３．[７]㊀张云龙,诸文农,许纯新．装载机传动系载荷样本长度的确定[J]．工程机械,１９９４,２５(６):１６Ｇ１９．Z HA N G Y u n l o n g,Z HU W e n n o n g,X U C h u n x i n．D e t e r m i n a t i o no fL o a d S a m p l e L e n g t hf o r L o a d e rD r i v e l i n e[J]．C o n s t r u c t i o n M a c h i n e r y a n dE q u i pＧm e n t,１９９４,２５(６):１６Ｇ１９．[８]㊀高云凯,徐成民,方剑光．车身台架疲劳试验程序载荷谱研究[J]．机械工程学报,２０１４,５０(４):９２Ｇ９８．G A O Y u n k a i,X U C h e n g m i n,F A N G J i a n g u a n g．S t u d y o n t h eP r o g r a m e dL o a dS p e c t r u mo f t h eB o d yF a t i g u eB e n c hT e s t[J]．J o u r n a l o fM e c h a n i c a l E n g iＧn e e r i n g,２０１４,５０(４):９２Ｇ９８．[９]㊀万一品,宋绪丁,郁录平,等．装载机工作装置销轴载荷测试方法与试验研究[J]．机械强度,２０１７,３９(１):２６Ｇ３２．WA N Y i p i n,S O N G X u d i n g,Y U L u p i n g,e ta l．S t u d y o nl o a d M e a s u r i n g M e t h o da n d T e s to ft h eP i nＧs h a f t i nL o a d e r W o r k i n g D e v i c e[J]．J o u r n a lo fM e c h a n i c a l S t r e n g t h,２０１７,３９(１):２６Ｇ３２．[１０]㊀中华人民共和国机械电子工业部．J B/T５９５８Ｇ１９９１装载机工作装置疲劳试验方法[S]．北京:机械科学研究院出版社,１９９２．M i n i s t r y o fM a c h i n e r y a n dE l e c t r o n i c s I n d u s t r y o ft h eP e o p l e s R e p u b l i co f C h i n a．J B/T５９５８Ｇ１９９１F a t i g u e T e s t M e t h o d o f L o a d e r W o r k i n g D e v i c e[S]．B e i j i n g:M e c h a n i c a l S c i e n c eR e s e a r c h I n s t i t uＧt eP r e s s,１９９２．[１１]㊀万一品,宋绪丁,郁录平,等．装载机工作装置斗尖载荷当量模型与试验[J]．长安大学学报(自然科学版),２０１７,３７(３):１１９Ｇ１２６．WA N Y i p i n,S O N G X u d i n g,Y U L u p i n g,e ta l．B u c k e tT i p L o a dE q u i v a l e n tM o d e l a n dE x p e r i m e n to n L o a d e r W o r k i n g D e v i c e[J]．J o u r n a l o fC h a n g a n U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n),２０１７,３７(３):１１９Ｇ１２６．[１２]㊀哈尔滨工业大学理论力学教研室．理论力学[M]．北京:高等教育出版社,２００２．D e p a r t m e n t o fT h e o r e t i c a lM e c h a n i c s,H a r b i nI nＧs t i t u t eo fT e c h n o l o g y．T h e o r e t i c a lM e c h a n i c s[M]．B e i j i n g:H i g h e rE d u c a t i o nP r e s s,２００２．[１３]㊀王强,苏成．公路桥梁随机车队的平稳性和各态历经性[J],华南理工大学学报(自然科学版),２０１５,４３(１０):８Ｇ１５．WA N G Q i a n g,S U C h e n g．S t a t i o n a r i t y a n dE r g o dＧi c i t y o fR a n d o m M o t o r c a d e o nH i g h w a y B r i d g e[J]．J o u r n a l o f S o u t hC h i n aU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n),２０１５,４３(１０):８Ｇ１５．[１４]㊀张英爽,王国强,王继新,等．工程车辆传动系载荷谱编制方法[J]．农业工程学报,２０１１,２７(４):１７９Ｇ１８３．Z HA N G Y i n g s h u a n g,WA N G G u o q i a n g,WA N GJ i x i n,e ta l．C o m p i l a t i o n M e t h o do fP o w e rT r a i nL o a dS p e c t r u mo fE n g i n e e r i n g V e h i c l e[J]．T r a n sＧa c t i o n s o f t h eC S A E,２０１１,２７(４):１７９Ｇ１８３．[１５]㊀刘永臣,常绿,孙丽．轮式装载机传动系载荷谱编制方法研究[J]．中国机械工程,２０１２,２３(１２):１４１２Ｇ１４１６．L I U Y o n g c h e n,C HA N GLü,S U N L i．A M e t h o do f C o m p i l i n g L o a d S p e c t r u m o n W h e e l L o a d e rT r a n s m i s s i o n[J]．C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,２０１２,２３(１２):１４１２Ｇ１４１６．[１６]㊀C O N O V E RJC,J A E C K L H R,K I P P O L A W J．S i m u l a t i o n o f F i e l dL o a d i n g i nF a t i g u eT e x t i n g[J]．J o u r n a l o fT e r r a m e c h a n i c s,１９９６,３(３):１０１Ｇ１０２．[１７]㊀王旭亮,聂宏．考虑载荷加载顺序的模糊M i n e r理论研究[J]．中国机械工程,２００８,１９(２２):２７２５Ｇ２７２８．WA N G X u l i a n g,N I E H o n g．S t u d y o n F u z z yM i n e r sR u l eC o n s i d e r i n g L o a dS e q u e n c e[J]．C h i n aM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２００８,１９(２２):２７２５Ｇ２７２８．(编辑㊀陈㊀勇)作者简介:万一品,男,１９８８年生.长安大学工程机械学院博士研究生.研究方向为工程机械结构载荷测试与疲劳性能.EＧm a i l:w y i p i n＠c h d．e d u．c n.宋绪丁(通信作者),男,１９６３年生.长安大学工程机械学院教授㊁博士研究生导师.员征文,男,１９８６年生.徐工集团江苏徐州工程机械研究院工程师.郁录平,男,１９５７年生.长安大学工程机械学院教授.１１８１装载机工作装置疲劳试验载荷谱编制方法 万一品㊀宋绪丁㊀员征文等Copyright©博看网 . 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车下设备承载结构疲劳试验载荷谱编制方法
李凡松 邬平 波 曾 京
（ 西南 交通 大学 牵 引动力 国家 重点 实验 室 成都 ６ １ ０ ０ ３ １ ）
摘要 ：提 出多载荷 时间历程 的外推方法 ，给 出车下设备承载结构疲劳试验载荷谱编制方法 。基于载荷时间历程的雨流计数矩
阵，利用二维核密度估计方法（ Ｋｅ ｒ ｎ ｅ ｌ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ｅ ｓ ｔ ｉ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ＫＤ Ｅ ） ，提 出在 多载荷 时间历程输入条件下 的外推方法 ；应用平 均应 力修正公式、累积损伤理论和 等效损伤准则 ，根据外推载荷数据，给 出疲劳试验程序谱 的编制方法；结合动车组车下设备线 路测试 数据 对外推方法进行验证 ，编制 了车下设备承载结构疲劳试验程序谱，并分别使用疲劳试验程序谱和振动测试数据对
ｃ ｏ ｍｐ ｉ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ ｉ ｓ ｃ ｏ ｍｐ ｌ ｅ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ ｐ ｐ ｌ ｙ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ａ ｎ ｓ ｒｅ ｔ ｓ ｓ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍｕ ｌ ａ ， ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｄ ａ ｍａ ｇ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｙ ｒ ｎｄ ａ ｅ ｑ ｕ ｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｔ ｄ ａ ｍａ ｇ ｅ ｃ ｒ ｉ ｔ ｅ ｉｏ ｒ ｎ ． ｈ ｅ Ｔ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｐ ｏ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｓ ｖ ｅ ｉｆ ｒ ｉｅ ｄ ｂ ｙ ＥＭＵ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｎ ｏ ｏ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｌ ｉ ｎ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ａ ｔ ａ ． ｔ ｈ ｅ ｎ
重型载货汽车前轴疲劳性能计算及试验验证
Ｔ ５ １ ３ —１ ９ ９ ９规 定 的 工况 ， 利用 Ｆ Ｅ ＭＦ Ａ Ｔ计 算某 重 型载 货 汽车 前 轴 的疲 劳寿 命 ， 并 与试 验得 到 的破
坏位置和寿命进行对比， 验证疲 劳计算 的可靠性． 在对前轴应力和疲 劳计算结果进行分析的基础
上， 提 出提 高前轴 疲 劳寿命 的 改进 建议 ．
重 型 载 货 汽 车前 轴 疲 劳性 能计 算 及 试 验 验 证
陈涛 ， 李海忠 ， 范文峰 ， 杨建磊 ， 徐铁娇
（ 一 汽解放 汽车有限公某重型 载货 汽车 前轴 台架刚 度试 验 计 算值 与试 验 值 ， 发 现 简化 边界 导致 位 移 计 算值 偏
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕｌ ａ ｔ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｏ ｆ ａ ｈ ｅ ａ ｖ ｙ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ａ ｘ ｌ ｅ’Ｓ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ａ ｒ ｅ
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某商用车驾驶室疲劳载荷分解及验证
某商用车驾驶室疲劳载荷分解及验证
刘竞一;董强强;杨建森
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2017(000)008
【摘要】驾驶室疲劳耐久性能开发是卡车设计和制造中一项非常重要的工作,但是驾驶室疲劳载荷很难通过试验获取.在开发前期获取驾驶疲劳载荷,并对驾驶室进行疲劳仿真分析,将会提高并推动驾驶室疲劳耐久性能开发.针对上述问题,提出了一种获取驾驶室疲劳载荷的方法.首先采集驾驶室悬置车身端加速度,然后建立了421驱动模式的驾驶室刚柔耦合多体动力学模型,使用Femfatlab进行虚拟迭代分解了驾驶室疲劳载荷,最后通过对比虚拟应变与实测应变验证了疲劳载荷的准确性,以及该方法的有效性.
【总页数】4页(P187-189,193)
【作者】刘竞一;董强强;杨建森
【作者单位】重庆电子职业工程学院汽车工程学院,重庆 404100;中国汽车技术研究中心,天津 300300;中国汽车技术研究中心,天津 300300
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;U463.81+5
【相关文献】
1.基于试验验证的商用车驾驶室悬置参数优化研究 [J], 李彬; 曹阳; 运伟国
2.基于信域指标分解的重型商用车驾驶室减振控制研究 [J], 何水龙;汤涛;叶明松;
邓聚才;蒋占四
3.衬套模型对商用车驾驶室载荷分解精度的影响研究 [J], 芦伟;李伟;张艳玲
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整车疲劳耐久载荷提取的三种方法
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枕梁 腹板与端梁上盖板连接处 枕梁 补强板 1 与中梁、枕梁下盖板连接区域 枕梁 补强板 1 与中梁下盖板连接处 枕梁 补强板 1 与中梁下盖板连接处 枕梁 补强板 2 与中梁下盖板连接处
郑小艳 ( 1983- ) 女 , 湖北荆门人 , 硕士生 ( 收稿日期 : 2007- 10- 18)
第 28 卷第 3 期 2008年6月 文章编号 : 1008- 7842 ( 2008) 03- 0011- 03
铁道机车车辆 RAILWAY LOCOMOTIVE & CAR
Vol 28 No 3 Jun 2008
货车车体疲劳载荷谱的编制及验证
郑小艳, 谢基龙 ( 北京交通大学
摘 要
机械与电子控制工程学院 , 北京 100044)
( 3) 应力谱损伤计算 根据车体应力测试结果, 选取 5 个大应力部位测 点, 其测点号为: 4、 8、12、13、26, 参见图 3。应力 谱的疲劳损伤计算方法与载荷谱的损伤计算方法类似。 车体应力谱损伤计算结果见表 3 。 ( 4) 损伤计算结果分析 测点应力谱及载荷谱的损伤计算结果见表 3。 由表 3 的损伤计算结果可以看出 , 垂向载荷谱与 侧滚载荷谱对挑选的测点不产生损伤 , 这主要是因为 这些测点的测试方向大都是纵向 , 因而只有纵向载荷 谱对这些测点有损伤。图 5~ 7 分别为列车起动时测点 12 的应力、第 5 断面的车钩力以及心盘载荷情况。波 形显示车钩力与测点 12 应力的变化规律非常相似 , 但 心盘垂向载荷变化与测点 12 的应力变化不相关, 这也 说明了车钩力对测试的测点损伤起着主要作用。 由测点位置可以看出, 这些测点受纵向载荷和心 盘载荷的影响较大 , 所以本文不考虑扭转载荷的影响。 结果显示 , 分力谱累积损伤与应力谱损伤的结果有一 定的可比性, 根据应力谱计算的损伤约是分力谱计算
* 图中上方阿拉伯数字 1 、 5、 &、 21 等表 示测试 的 C70 型敞 车车钩在列车中的顺序位置 , 图中的短横 表示测 力车 钩在车上的安装位置。拉丁字母 A~ G 为测量断面代号。 图 1 去程编组方式
试验过程中, 采用 IMC 数据采集处理系统及配套 设备 , 通过无线传输方式全程连续采集数据信号 , 采 样频率为 500 Hz。通过 标定试验 所得出的 标定系数 , 将各个测点的应变 ∀ 时间历程转变为载荷 ∀ 时间历程 或应力 ∀ 时间历程 , 同时测试了 7 个测量断面的车钩 力、第 5 断面的车体测点应力以及摇枕测点应力和旁 承力。 ( 2) 车体测点布置 由于车体的结构型式和受力情况比较复杂, 在确 定疲劳控制部位时综合考虑各类因素 , 在车体上共布 置 32 个应力测点 , 如图 2 所示。本文重点研究了测点 4、8、12、13、 26, 其位置说明见表 1。
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铁道机车车辆
第 28 卷
图 2 车体应力测点位置图
( 3) 摇枕测点布置 图 3 为摇枕测点位置图。在摇枕表面心盘中心线 附近应力较大、应力梯度较小的部位粘贴应变片 ; 在 经过改造的旁承座下放置 压力传感器 , 测试旁承力。 试验开始前, 已经通过施加心盘载荷和旁承载荷对应 力测点进行了标定。 2 编谱 ( 1) 数据处理 实测运用条件下机车车辆构件上的动应力 , 并编 制载荷谱和应力谱 , 是进行结构疲劳寿命及可靠性研 究的必要条件。本文对实测动应力数据 进行了处理 , 包括零漂处理、滤波处理、小波处理及各级应力幅值 的频次统计 , 采用雨流计数法 , 最终得到二维应力谱 和载荷谱, 谱的表现型式为各组均值、幅值以及它们 对应的循环次数。这些工作已经通过编制的小软件得 到实现。 ( 2) 编制载荷谱和应力谱 利用编制的软件 , 对车体应力测点数据、车钩力
数据进行处理 , 得到车体应力谱和纵向载荷谱; 对摇 枕测点数据进行处理 , 并通过标定值进行计算, 得到 心盘载荷谱和侧滚载荷谱。 对得到的谱进行处理, 把均值和幅值相加得到最 大值 , 用均值减去幅值得到最小值 , 并记录这组最大 ∀ 最小值对应的循环次数。由于我们比较关心的是循 环次数而不是统计的百分数, 因此本文采用了循环次 数, 这样就得到了类似 AAR 标准的载荷谱和应力谱。 3 载荷谱验证 ( 1) 车体有限元计算 新型 70t 级通用敞车车体为全钢焊接结构 , 主要 由底架、侧墙、端墙、中立门和下侧 门几部分组成。 车体主要由不同厚度的钢板组焊而成 , 建模时全部采 用板壳单元 Shell63 对结构进行离散。根据计算需要 , 选取半车模型, 共离散为 70 221 个单元 , 67 890 个节 点, 如图 4 所示。 ∋ 心盘载荷工况 心盘载 荷为车体自重与 载重之和 , 约为 83 84 t。 根据车体受力情况, 心盘处施加弹性约束, 对称面上 施加对称约束 , 地板上均匀施加垂向心盘载荷。 ( 纵向载荷工况 纵向载荷计算分两种工况进行 : 纵向拉伸工况与
测点号 4 8 12 13 26
表 3 测点 应力谱及载荷谱损伤计算结果
应力谱 损伤 0 6 81 ∗ 10- 6 5 05 ∗ 10- 5 5 18 ∗ 10- 5 5 71 ∗ 10- 5 心盘载荷 谱损伤 0 0 0 0 0 纵向载荷 谱损伤 0 8 99∗ 10- 7 2 748 ∗ 10- 5 2 36∗ 10- 5 3 078 ∗ 10- 5 侧滚载荷 谱损伤 0 0 0 0 0 分力谱 累积损伤 0 8 99 ∗ 10- 7 2 748 ∗ 10- 5 2 36 ∗ 10- 5 3 078 ∗ 10- 5
纵向拉伸工况计算方法是在施加垂向心盘载荷的 情况下 , 再施加纵向 100t 拉伸载荷。根据车体受力情 况, 心盘处施加弹性约束 , 对称面上施 加对称约束 , 地板上均匀施加垂向载荷 , 前从板座处施加纵向拉伸 载荷。 纵向压缩工况计算方法是在施加垂向心盘载荷的 情况下 , 施加纵向 100 t 压缩载荷。施加载荷的方法与 拉伸工况相同。 ) 侧滚载荷工况 车体侧滚时, 车内货物偏载 , 对侧墙产生压力作 用, 使得一侧旁承增载, 另一侧旁承减载。参照 AAR 标准中 90 7t 漏斗车侧滚时旁承最大增减载为 36t , 假 设左旁承增载, 右旁承减载, 换算成力 F 施加于侧柱 连铁立板上。采用半车模型进行计算, 心盘处施加弹 性全约束, 左旁承施加垂向约束 , 对称面上施加对称 约束。 ( 2) 载荷谱损伤计算 由于测试应力的应变片方向是单向的, 所以试验 测得的应力也是对应该方向的单向应力。根据有限元 计算 , 查看这些测点在各种载荷工况下对应方向的单 向应力, 结果如表 2 所示。 为了验 证载荷谱 , 选 取一个单程完 整试验数据 , 确保运行里程、线路、司机操作等情况都相同。参照 AAR 标准的疲劳损伤计算方法以及钢制构件和零件的 疲劳特性数据, 根据车体结构及测点位置情况 , 选取 适当的疲劳特性数据, 再根据该单程试验所对应的各
摘 要
机械与电子控制工程学院 , 北京 100044)
利用国际上通用的流体力学计算软件 FLUENT 作为研究工具 , 对高速列车 在地面和桥 梁两种行驶 状态
下的外部流场进行了数值模拟 , 分析桥梁的存在及其特征尺寸对列车气动力的重 要影响。通过比较列车在不同 高度、不同宽度及不同横截面形状桥梁上行驶时的气动力情况 , 得出针对本文选定的桥梁设计方案 , 桥梁 的存 在增大了列车倾覆危险性的结论 ; 同时发现存在一个最 危险桥梁宽 度 , 此时列车 尾部抬升和 倾覆的危 险最大 , 而当桥梁宽度增大到一定数值后 , 桥梁的存在将不影响列车受力 ; 另外肯定了桥梁横截面 形状接近流线型对改 善列车受力有积极作用。 关键词 高速列车 , 空气动力学 , 侧风 , 桥梁 , 数值模拟 文献标 志码 : A 中图分类号 : U292 91+ 4; U260 13
图 3 摇枕测点布证
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种载荷谱 , 利用有限元计算结果 , 计算测点在这些载 荷谱作用下的损伤, 进而得到累积损伤。载荷谱损伤 计算结果见表 3。
表 2 测点有限元计 算结果 测点号 4 8 12 13 图4 车体有限元模型图 26 纵向载荷工况 测试 心盘 方向 载荷工况 纵向拉伸 纵向压缩 横向 纵向 纵向 纵向 纵向 8 2 - 35 2 - 18 1 - 26 3 - 35 4 7 7 - 1 9 22 3 11 4 43 7 8 6 - 70 6 - 61 4 - 66 3 - 47 9 MPa 侧滚载荷工况 左测点 右 测点 12 6 1 5 -1 3 5 8 2 - 3 5 9 2 5 2 1 8 8
通过 5 000t 重载列车的动应力测试 , 参照 AAR 机务标准 , 编制了车体测点应力谱、心盘载荷谱、纵向
载荷谱以及侧滚载荷谱。利用 ANSYS 有限元软件对 C70型通用敞车车体 进行了计 算 , 并利用编 制的载荷谱 计算 车体测点的损伤 , 然后与按照应力谱计算出的损伤结果相比较 , 验证了载荷谱 , 最后分析了利用分力谱来 计算 车体损伤的可行性。 关键词 重载列车 ; AAR; 应力谱 ; 载荷谱 文献标志码 : A 中图分类号 : U272 32
第 28 卷第 3 期 2008年6月 文章编号 : 1008- 7842 ( 2008) 03- 0014- 04
铁道机车车辆 RAILWAY LOCOMOTIVE & CAR
Vol 28 No 3 Jun 2008
高速列车在桥梁上行驶时空气动力特性的数值模拟研究
董亚男, 徐宇工, 邱英政 ( 北京交通大学
我国铁路货运装备正在加速实施现代化 ,
十一
他所有 C70 型敞车位置不变。此外, 对装有测力车钩 5 ( 机后第 34 位 ) 的 C70 通用敞车换装测力摇枕 , 并在其 中梁、枕梁、牵引梁等关键部位粘贴应变片 , 本文将 利用此车测试的车钩力和车体应力等数据编制载荷谱 和应力谱。
五 期间将全面开行速度 120km/ h, 5000t 编组的提速 货运列车, 23 t 轴重的提速货车将成为货车更新的主 要车型。从我国货车装备技术近十余年来的发展情况 看, 货车结构的疲劳可靠性问题是制约货车装备技术 提升的关键因素。如果货车结构显著低 于设计寿命 , 过早地发生疲劳裂损 , 将使货车的维修费用居高不下 , 并严重危及行车安全。我国货车现行结构强度设计规 范和试验标准尚不完善, 特别是缺少符合我国实际运 用条件的疲劳强度设计规范和试验标准。因此更新我 国货车结构的强度设计规范和试验标准, 已成为一项 非常紧迫的工作。 目前国际上货车车体的疲劳强度评估主要是依据 美国 AAR 机车车辆手册 : C ! 分册 M ∀ 1001 #货车设 计制造规范∃ 第 1 卷 ( 标准部分 ) % #货车的疲劳设 计∃ , 通过各分力谱计算车体的损伤 , 再根据 Miner 线 性累积损伤原理 , 最终确定车体各部位的损伤。列车 在运行中, 其受力情况比较复杂 , 各种载荷有可能发 生耦合, 用分力谱计算的累积损伤与通过合成应力计 算的损伤有可能不同 , 这就需要对载荷 谱进行验证 , 从而确定用分力谱计算来评价车体疲劳强度的可靠性。 1 5000 t 重载列车动应力试验 ( 1) 试验方案 试验列车由 53 辆 C70 型通用敞车组成 , 由两辆机 车在前部牵引 , 尾部挂 1 辆试验车。列车为 5 000 t 编 组, 全部车辆按标记载重装载。试验车辆选用 7 辆 C70 型通用敞车 , 均换装 17 号测力车钩和 MT - 2 型缓冲 器, 并采用不等间距布置。此次试验于 2006 年 9 月 25 日至 28 日在京九线 ( 北京丰台西站 ∀ 衡水区段 ) 上进 行, 单程约 273 km, 重车测试 4 个往返。去程编组方 式如图 1 所示。返程时机车与试验车调换位置 , 而其