ｅｃｈｎｉｃａｌ／技术专栏 轨道车辆产品的抗振缓冲设计与验证技术（二） 王树荣 ，石春珉。，袁野 ，陈浩 ，黄健。 （１．苏州苏试试验集团北京创博实验室，北京１０２２０５； ２．中铁检验认证中心机车车辆检验站，北京１０００１５） 摘要：本文介绍了轨道车辆产品在抗振缓冲设计中应有的思路，即产品的抗振缓冲设计不完全是按研制总要求、标准、 规范、合同中的要求来设计，而是应该按其所经受到振动冲击响应来设设计。试验室对设计的验证均含有强化和加速 （Ｓ－Ｎ）的含义，但其在失效机理和模式上应相一致。 关键词：轨道交通；加速试验；Ｓ－Ｎ曲线 中图分类号：Ｕ２７０．１＋４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—７２０４（２０１８）０２—００６０—０６ Ａｎｔｉ—ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｆｆｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｓｔｏｃｋ ＷＡＮＧ Ｓｈｕ—ｒｏｎｇ ，ＳＨＩ Ｃｈｕｎ—ｍｉｎ ，ＹＵＡＮ Ｙｅ ，ＣＨＥＮ Ｈａｏ ，ＨＵＡＮＧ Ｊｉａｎ （１．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｃｈｕａｎｇｂｏ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｕｚｈｏｕ ＳＵＳＨＩ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２０５： ２．Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ＆Ｃａｒ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｅｓｔ＆Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１５） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｈｏｕｇｈｔ ｉｎ ｓｈｏｃｋ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｒｏｌ１ｉｎｇ ｓｔｏｃｋ ．Ｔｈｅ ｔｈｏｕｇｈｔ ｉＳ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｈｏｃｋ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｓｈｏｕｌｄ ｎｏｔ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｂａｓｅ ｏｎ ｇｅｎｅｒａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， ｓｔａｎｄａｒｄｓ， ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ， ａｎｄ ｃｏｎｔｒａｃｔｓ， ｗｈｉｌｅ ｉｔ ｓｈｏｕｌｄ ａｌｓｏ ｂａｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｔｏｃｋ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｏｃｋ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｌａｂ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉ０ｎ ｉｎ ｔｈｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ：ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｓ ｉ ｓｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｉ ｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉ ｓｍ ａｎｄ ｆａｉ ｌｕｒｅ ｍｏｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｌ ｌ ｉｎｇ ｓｔｏｃｋ：ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ ｔｅｓｔ：Ｓ－Ｎ ｃｕｒｖｅ ２．２．２ ＩＥＣ ６１３７３；２０１０中的加速因子 环不破坏就永远不被破坏，在ＩＥＣ ６１３７３：２０１０是将其按 ２ Ｈｚ和１０ Ｈｚ二个最低频率上达到１０８循环不破坏就永远 不被破坏计算的。从无限寿命的观点出发，该振动应力 图２ｂ的曲线，就是现应用在ＩＥＣ６１３７３：Ｅｄｉｔｉｏｎ ２ ２０１０——０５ Ｒａｉｌｗａｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ——Ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｔｏｃｋ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ·— ｓｈｏｃｋ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ中的加速振动曲线， １）超高周疲劳加速因子在轨道交通产品中的应用 ＩＥＣ ６１３７３；２０１０版指出：轨道车辆产品一般按２５年设 在低频端达到无限寿命后，高于低频端循环数就在无限 寿命的水平线上了。 ①１类和２类产品 该二类产品，设计寿命为：２５ ａ ｘ ３００ ｄ×１０ ｈ／ ｄ Ｘ ３ ６００ ｓ／ｈ×２ Ｈｚ／ｓ＝５．４×１０ 应力循环。 计，即按在２５年、每年工作３００天，每天工作１０ ｈ计算。 轨道交通产品所经受到的是宽带随机振动，其频率范 围，随产品重量不同而而不同分为：对１—２类产品最宽在 ２～２５０ Ｈｚ范围内；对３类产品最宽在ｌ０—５００ Ｈｚ范围内。 由于轨道交通产品安装平台的振动是宽带随机振动。 就超高周疲劳寿命而言，上面已说：只考虑１×１０ｓ 循环次数就可以了。然而，即使１ Ｘ １０８与２ Ｈｚ／ｓ计算也需 要１３ ８８８．８９ ｈ，这在工程是不可取得，对此，ＩＥＣ ６１３７３／ 在进行无限寿命设计时，其抗振强度，即所需承受的应 力，是按最少应力循环数计算的。即该应力在该循环次 数下不被破坏就永远不会被破坏。即在该应力下经１０８循 ＧＢ／Ｔ ２１５６３给出了工程上可接受的５ ｈ作为实验室试验验 收时间，即循环数为２ Ｈｚ Ｘ ５ ｈ×３ ６００ Ｓ＝３．６×１０４。这就 提出了一个必须加速的问题，为此，现按上式（６）计算 ２０１８年４月／Ａｐｒｉｌ ２０１８ ６０ 技术专栏／上ｃｅｃ。ｈｎ ｕｍｉｃａｌ 加速因子如下 ： Ａ ： ： ｏ－ｓ Ａ （３．６ｘ１０４ Ｉ （ ×ｌｏ ） 兰 ５￣１０）西１： ： Ｘ３．６１６：５－６５６（７） （３．６ｘ １０ １３·７７４ ②３类产品 ３类产品的设计寿命：２５ ａ×３００ ｄ×１０ ｈ／ｄ×３ ６００ ｓ／ ｈ×１０ Ｈｚ＝２．７×１０ 应力循环次数，与１类和２类产品一 样，按１×１０ｓ与１０ Ｈｚ／ｓ计算也要２ ７７７．７８ ｈ，＿丁程上也是 不可取的，也必须按公式（６）计算出加速因子，使其在 ５ ｈ（循环数为ｉ０ Ｈｚ Ｘ ５ ｈ×３ ６００ ｓ＝１．８×１０５）的工程试 验中完成实验室的鉴定或或验收： 等 Ｎｍ２（ １ １ （５×１。 ： 兰！ ： ：５ｘｌ０６ ：—２１．５—４４×３．６１６：３－７８２（８） “．８×１０ ２０·５９８ 由（７）和（８）的计算，得出ＩＥＣ ６１３７３：２０１０中的 长寿命振动量级见表３。 ③其它最低频率上的加速因子 在ＩＥＣ ６１３７３／ＧＢ／Ｔ ２１５６３中，除２ Ｈｚ和１０ Ｈｚ二个最低 频率外，还有５ Ｈｚ和按样品重量计算出来的最低频率。 现给出用公式（６）按重量计算可能产生的加速因子，见 表４所示：表中除２ Ｈｚ和１０ Ｈｚ二个ＩＥＣ ６１３７３／ＧＢ／Ｔ ２１５６３ 中给出的加速因子，在保证使用和节省研制成本的基础 上，其它加速因子也可供参考采用。 ２．３影响抗疲劳破坏设计的因素 据统计，在动应力作用下工作的产品，所经受到的 损失和破坏中：疲劳约占５０％，其中：低周波疲劳占 １２％、高周波疲劳占２４％、其它疲劳占１３％。也有工程 调查发现：疲劳断裂占力学破坏的５０％～９０％。所以在运 载工具及其安装在上面的产品必须进行抗疲劳设计，从 上面的叙述可见，除按上表１功能试验的要求作为满足 ６１ 环境技术／Ｅｎｖ１ ｒ０ｎｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎ０１ｏｇｙ １×１０ 循环的疲劳的应力进行进行抗疲劳设计外，还要 明白影响疲劳破坏的因素很多，例如： １）材料的影响：材料对疲劳的影响很大，不同的材 料有不同的疲劳线，如图３所示。 ２）温度影响：环境温度与湿度等都会对疲劳寿命 与疲劳极限造成影响，某些零件、构件是在高于或低于 室温下工作时，其疲劳曲线与常温下会有所不同。为更 精确计算温度对Ｓ—Ｎ曲线的影响，要测量不同温度下的 ｓ—Ｎ载荷，以便进行差值计算。疲劳受温度影响时又可 分为：低温疲劳高温疲劳热疲劳（由热应力循环作用 而产生的疲劳）。高温对疲劳的明显影响。是指大于熔 点１／２ＰＡ上的温度，此时晶界弱化，有时晶界上产生蠕 变空位，因此在考虑疲劳的同时必须考虑高温蠕变的影 响。高温下金属的Ｓ—Ｎ曲线没有水平部分，一般用１０７～ １０ 次循环下不出现断裂的最大应力作为高温疲劳极限； 另外循环的频率对高温疲劳极限有明显影响，当频率降 表３轨道车辆设备长寿命振动量级 表４加速因子 最 频率加速因子最 频率加速因子最 频率加速因子 ｔｌｚ ｉｌｚ Ｈｚ ｅｃｈｎｉｃａｌ／技术专栏 低时，高温疲劳极限明显下降。在轨道交通产品的设计 中，为避免高温的影响，通常将运行时的温度一般控制 在不超过１６０℃的温度上。低温对疲劳的影响主要是降 低焊接头的疲劳寿命等。 ３）设计不良：疲劳还会受到不良设计的影响，例 如：微动磨损疲劳，即零件在高接触压应力的反复作用 下产生的疲劳。经多次应力循环后，零件的１：作表面局 部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑。接 触疲劳使零件工作时噪声增加、振幅增大、温度升高、 从上面的叙述可见：轨道交通产品所用的材料结构 都是多种多样的，疲劳试验曲线本身又是一条拟合出来 的曲线。具有一定甚至很大的分散性，所以用表２的功能 量级和表３的长寿命量级进行抗振设计时，要留有足够的 设计余量。 ３）振动的设计是一响应设计 产ｌ｝占的抗振设计应该是响应设计，即产品按标准、 规范、合中的要求设计时，实际作用在产品上的振动应 力是产品经受到标准、规范、合中的振动要求的振动应 磨损加剧，最后导致零件不能正常工作而失效。在滚动 轴承、齿轮等零件中常发生这种现象。其次还有：局部 的应力集中（高应力区会有塑性变形，引发裂纹，这是 低周疲劳的特点）、接触疲劳、拉压和弯曲等 力激励后所产生的响应应力．这种响应的谱型和量级和 标准、规范、合中同的要求一般不会相同，甚至会有很 大的差别。例如某高铁裙边按ＩＥｃ６ｌ３７３／ＧＢ仃’２ｌ５６３中１类 Ａ级进行抗振设计时： ４）环境影响：环境影响主要指腐蚀疲劳。即产品在 腐蚀介质中承受循环应力时所产生的疲劳。因腐蚀介质 在疲劳过程中能促进裂纹的形成和加快裂纹的扩展。其 特点有：Ｓ－Ｎ曲线无水平段；另外加载频率对腐蚀疲劳 的影响很大。可以说：使用条件越恶劣，疲劳破坏事故 更是层出不穷。 示例方向：横向 输入：谱型见下图５（ａ） 功能试验量级：Ｇｒｍｓ＝０．３７ ｍ／ｓ 长寿命响应量级：Ｇｒｍｓ＝２．０９ ｍ／ｓｚ ５）工艺的影响，例如表面光洁度、表面处理等。 ６）研究表明，疲劳试验结果具有明显的分散性， 疲劳寿命与疲劳强度的分散性随着疲劳周次的提高而增 大。超高周疲劳比低周疲劳与高周疲劳的实验数据具有 更大的分散性，其分散幅度可达三个数量级。 ２。４疲劳设计 １）设计指标 ｆ） （ａ）多种材料 轨道车辆产品抗疲劳设计的依据通常是用ＩＥＣ ６１３７３／ ＧＢ／Ｔ ２１５６３中的要求，功能试验的设计要求是表２的量 级。长寿命得设计要求是表３中的量级，该量级通过图２ （ｈ）Ｓ－Ｎ曲线增加应力，减少应力循环数得出的加速振 动量级，按此量级进行长寿命设计将满足规道车辆在正 常运行中所经受到的振动量值作用下的无限寿命，即从 理论上满足在１ Ｘ １０８循环下不被破坏就永远不会破坏的 要求。 （ｂ）白色一铝材黑色一纲 ２）设计余量 图３疲劳曲线 ２０１８年４月／Ａｐｒｉｌ ２０１８ ６２ 技术专栏／上ｃｅｃｈ ｎ…ｉｃａｌ 响 ：谱 见下 ５（ｂ） 功能振动【ｆｌ『：５ Ｉｌｌ／ｓ！ Ｋ 命振动时：２８．２８ ｍｌｓ 怀准或规范给Ｈ｛的一般仪为通用的谱型干¨ 级，ｘ，Ｊ 每一 轨道１ 辆安装的 牖，其谱 干¨地纵均会有所不¨，例如下 ４为高铁卜某 谢边 铁运行过 一｝ｌ的实测到的横向振动时 域信 埘ｆ 述时域信号 频域内诸多子样按均值 ＋１俯标准偏差得 的功能振动时的谱型 ５ｄ）），【纠５（ａ）为ｌＥＣ ６ｌ ３７３／ＧＢ／ｒｒ ２１５６３中的规范 漕．Ｉ，ｆ ：荇之问的卡ｌＩ差Ｊ，。 从 述＿『 ， １ 品按标 或觇范［｝】的要 求设汁Ｉｔ、ｆ．其一：一定要考虑， ：ｒ ｌ｜ｌ实际平台的 振动 ．‘婴考虑它ｆ『Ｊ之问的差别；矮二要考虑 受按 准或规范 心力作用后的响应 ，就｝ 述 ｌ 铁裙边 』 实际的响 ￡振动比ｌＥＣ ６１ ３７３／（；ＢＩＴ ２１５６３ＩＩｌ的高ｍ１【】俯以匕，对这， 从 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受半正弦冲击后最大响应为冲击脉冲量级的１．７８倍，按 ＩＥＣ ６１３７３／ＧＢ／Ｔ ６１３７３规范中的３类车轴安装的冲击加速 度为１００ ｇ，当产品的固有频率与冲击脉冲持续时间Ｄ乘 积在０．８时，则产品受１００ ｇ半正弦冲击后的响应为１７８ ｇ， 所以抗冲击强度的设计，如不考虑设计余量，也应按１７８ 设计。若说的更详细一点的话； 单自由度系统受冲击后的初始响应和残余响应分别 以系统的固有频率为函数排列起来并描成的曲线，这便 是冲击响应的谱曲线，如图６所示。其中反映初始响应的 曲线称初始冲击的响应谱；反映残余响应的曲线称残余 冲击响应谱。又由于系统受冲击所产生的响应发生在正 负两个方向上，所以又有： 正初始冲击响应谱：指在冲击脉冲持续时间内与激 励脉冲同方向上出现的最大响应曲线。 负初始冲击响应谱：指在冲击脉冲持续时间内与激 励脉冲反方向上出现的最大响应曲线。 正残余冲击响应谱：指在冲击脉冲持续时间后与激 励脉冲同方向上出现的最大响应曲线。 负残余冲击响应谱：指在冲击脉冲持续时间后与激 励脉冲反方向上出现的最大响应曲线。 由于正初始冲击响应谱在任何时候都比负初始冲击 响应谱大，又由于正、负残余冲击响应谱互相对称，又 由于冲击试验是在六个方向上进行的（即沿着每个轴线 的相反两个方向进行），所以一般只画出正初始冲击响 应谱和正残余冲击响应谱。 从上面叙述可见：严格来说，在进行抗冲击设计 时，应同时考虑初始冲击响应谱和残余冲击响应。对 此，现以ＩＥＣ ６１３７３／ＧＢ／Ｔ６ １３７３规范中的３类车轴安装的 冲击加速度为１００ ｇ、６ ｍｓ的半正弦冲击脉冲波为例进一 步作如下说明：即它对不同固有频率的产品所造成的冲 击响应，也就是抗冲击强度的要求见表５。从表５可见： １００ ｇ ６ ｍｓ的半正弦脉冲波，对不同固有频率的产品所 导致的响应（损伤）是不一样的。当产品固有频率低于 ３３ Ｈｚ时，产品受１００ ｇ、６ ｍｓ半正弦冲击脉冲冲击后， 其响应是低于１００ ｇ的，其抗冲击强度可按残余冲击响应 ２０１８年４月／Ａｐｒｉｌ ２０１８ ６４ 技术专栏／ｅｃｈｎｉｃａｌ 表５当０．３ ｘＤ≤２．５的冲击响应 产品固有频率ｆ “Ｈｚ” １７ ３３ ５Ｏ ６７ ｆ ＸＤ ０．１ Ｏ．２ Ｏ．３ ０．４ 初始冲击响应谱…ｇ’ ２０ ５８ ｌ１２ １３５ 残余冲击响应 …ｇ’ ４０ ７５ １１７ ｌ３７ ７５ ｇ设计，当产品固有频率超过５０ Ｈｚ时，产品经受到的 冲击响应是放大的。当产品固有频率为１３３ Ｈｚ，其抗冲 击强度设计要求是最高的，要按初始冲击响应１７８ ｇ进行 设计。可见，作为一个好的设计，设计师应尽量将产品 的固有频率设计在其受冲击后响应的低处。 ３．２用实测冲击路谱设计 如果有轨道交通产品安装平台的冲击实测数据，可 已将实测的冲击时域信号转换城冲击响应谱作为依据进 行进行设计，与上面的按半正弦冲击脉冲的冲击响应谱 进行设计一样，尽量将产品的固有频率设计在冲击响应 谱的低处。 轨道交通抗冲击实验室验证通常是按ＩＥＣ ６１３７３／ＧＢ／ Ｔ ６１３７３本文表５中的半正弦冲击脉冲进行的。但备注中 有： “注：某些特殊用途的１类设备可能需要额外增加 峰值加速度为３０ ｍ／ｓｚ和脉冲宽度为１００ ｍｓ的冲击试验， 在这种情况下，应在试验之前就这些要求的试验量级取 得一致意见”。这是由于当今的实验室一般不具备按这 一要求完成试验的能力，即使个别单位勉强具有这种能 力，试验费也相当昂贵，冲击波形也不完全符合要求。 对此，建议用保证速度变化量相等的原则来实现，因为 加速度是通过速度变化来产生的，没有速度变化就没有 加速度：依此，可用速度变化量相等来进行转化，现计 算如下： ·。．半正弦冲击脉冲的速度变化量为： ＡＶ：：—２ＡＤ——————． ７ｆ （９） ３０ ｍ／ｓ 、１００ ｍｓ的速度速度变化量为： ＝ ３＿１．９ （１１ ）０（） ．１４１ ６ 按速度变化相等的原则，将其等效为当今试验设备 能进的３０ ｍｓ来进行，求此时的加速度应增加为： ６５环境技术／Ｅｎｖｉ ｒ０ｎｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎ。】ｏｇｙ ８３ １ＯＯ １１７ １３３ １５Ｏ ２００ Ｏ．５ Ｏ．６ Ｏ．７ Ｏ．８ Ｏ．９ ２．２ １５Ｏ １６５ １６８ １７８ １７５ １Ｏ０ １５Ｏ １６２ １６５ １６２ １４Ｏ ４０ ＝ ＝ －２Ｄ ２ ０ ０３ ×． １００（ １１ ） 从上面的计算可见：３０ ｍ／ｓｚ、１００ ｍｓ的半正弦冲击 脉冲，可转换为等效的１００ ｍ／ｓ 、３０ ｍｓ的半正弦冲击脉 冲来进行。 结束语 当今标准和规范是建筑在平稳随机基础上的，实际 在许多情况下是非平稳的，如图４所示，随着列车速度 愈来愈高，列车高速行驶中与空气摩擦噪声的振动频率 要高于３５０ Ｈｚ以上，特别是在隧道中多次高速交车，会 经受很大的空气压力，是静疲劳还是低周波疲劳等等， 开展这些研究，对提高高速铁列车抗疲劳特性很有价 值。我国的高铁已走在世界最前端，碰到各种各样使用 环境，特别是恶劣环境远比其它国家多，这些都有待我 们去总结和研究，应该说，我们现在ＩＥＣ ６１３７３应有更多 ＩＥＣ ６１３７３话语权了，应该到了南我们来直规矩的时代 了 参考文献： 【１】ＩＥＣ ６１３７３，Ｒａｉｌｗａｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｏｉｌｉｎｇ ｓｔｏｃｋ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ— ｓｈｏｃｋ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ［Ｓ】． 【２ ＧＢ／２］Ｔ ２１５６３—２００８／ＩＥＣ ６１３７３：１ ９９９，轨道交通机车车辆设备冲击 和振动试验【Ｓ】． 【３】季馨，王树荣电子设备振动环境适应性设计【Ｍ］北京：电子工业 出版社，２０１２ １ ［４】王树荣，季凡渝环境试验技术【Ｍ】．北京 电子工业出版社， ２Ｏ１ ６１ 作者简介： 王树荣，男，苏试试验集团在聘专家，曾任全国环境技术标准化技 术委员会机械分会主任委员２０年，国家某重点军工型号工程总质量师， 著有《环境试验》、《电子设备振动环境适应性设计》等多部经典著作。
