地铁车辆一系轴箱弹簧失效分析及优化.pdf

41 TRAFFIC&TRANSPORTATION2023 年 9 月 第 39 卷第 5 期（总第 229 期）Sep.2023,Volume 39No.5(Serial No.229)收稿日期：2023-06-07基金项目：海市自然科学基金资助项目（21ZR1467100）第一作者简介：贺延霖（1999-），男，满族，辽宁本溪人，硕士研究生，主要研究方向：轨道车辆动力学及振动疲劳。地铁车辆一系轴箱弹簧失效分析及优化贺延霖，周劲松，王腾飞，王嘉豪，耿 璇（同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804）摘 要：某地铁车辆一系轴箱弹簧服役期间出现过早失效现象，严重影响行驶安全。为分析弹簧失效原因并延长服役寿命，首先，对断簧进行断口分析，明确失效类型；其次，开展模态、车轮不圆、振动和动应力相关测试，得到弹簧自身结构特性和轮轨激励情况，分析失效原因；实验结果表明，车轮十阶多边形存在着显著峰值，当车辆以 75 km/h 运行时，产生的谐波激励与弹簧一阶垂弯频率接近，引起弹簧共振，导致其过早失效。为满足轮轨演化状态下一系轴箱弹簧的寿命要求，避免出现弹簧断裂失效情况，提出轮轨维护和优化弹簧结构参数 2 种提高服役里程的方案，并基于刚柔耦合多体动力学模型分析优化方案的效果，为开展车辆运维及结构件参数设计提供参考。关键词：轨道车辆；轴箱弹簧；断裂失效；疲劳损伤；优化效果中图分类号：U491文献标志码：A文章编号：1671-3400(2023)05-0041-06Failure Analysis and Optimization of the Primary Axle Box Spring of Subway VehiclesHE Yanlin,ZHOU Jinsong,WANG Tengfei,WANG Jiahao,GENG Xuan(Tongji Univeristy,Institute of Rail Transit,Shanghai,201804,China)Abstract:The premature failure of the primary axle box spring of a certain subway vehicle during service seriously affects driving safety.In order to analyze the Failure cause of the spring and extend its service life,the fracture surface of the broken spring was analyzed first to determine the failure type;Then carry out relevant tests of mode,out of round wheel,vibration and dynamic stress,obtain the structural characteristics of the spring itself and the wheel/rail excitation,and analyze the Failure cause.The research results indicate that there is a significant peak value in the tenth order polygon of the wheel.When the vehicle is running at 75km/h,the harmonic excitation generated is close to the first order vertical bending frequency of the spring,causing spring resonance and premature failure.In order to meet the service life requirements of the primary axle box spring under the wheel rail evolution state and avoid spring fracture failure,two optimization schemes,namely wheel rail maintenance and spring structural parameter update,have been proposed,both of which have obvious optimization effects,providing reference for vehicle operation and maintenance as well as structural component parameter design.Keyword:Rail vehicles;Axle box spring;Fracture failure;Fatigue damage;Optimization effect 增加了运维成本。张子璠等1通过断口分析、线路动应力测试以及有限元仿真等方法探究出弹簧断裂原因为车轮不圆高阶频率与弹簧模态主频重合产生了共振现象；李刚2指出弹簧断裂的原因是弹簧制造质量和设计余量不足，提出弹簧设计应辅助以有限元方法进行校核；沈豪3采用金相检测和断口分析等方法分析弹簧断裂原因是由于在客量较大，弹簧长期处于高强度的交变载荷作用，加剧了疲劳源的产生，还提出磁粉检测弹簧缺陷的方法；张伟龙等4提出通过提升弹簧制造工艺水平并在弹簧两端增加80 引言 地铁车辆一系轴箱弹簧起到缓冲减振的作用，是转向架的关键部件之一，但在车辆运营过程中会出现轴箱弹簧断裂现象，严重影响行车安全，且更换轴箱弹簧也2023 年第 5 期 42 橡胶垫及控制车轮不圆度的方法来减少弹簧应力集中，以此来预防弹簧断裂；宗志祥5建立动力学模型，分析得到弹簧断裂因素为轴箱弹簧与簧下固有频率产生了共振，并建议定期镟轮。目前对轴箱弹簧断裂的分析研究较多，主要集中在弹簧的断裂原因和改进建议，很少探究改进后的优化效果。因此，本文针对某型地铁轴箱弹簧断裂失效原因进行分析，提出定期进行车轮维护和安装新结构参数弹簧的优化建议，并对改进前后的弹簧振动加速度和应力进行对比，分析其优化效果。1 轴箱弹簧失效现象及断口分析 某型地铁车辆在服役过程中，轴箱弹簧频繁发生过早失效现象（见图 1）。弹簧断裂位置位于支撑圈和有效圈的过渡处，断裂面与弹簧轴线呈 45 角。图 1 弹簧断裂现场图 对弹簧断口进行宏观和高倍率微观观察，宏观上，断口无明显塑性变形，断面存在裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区，贝纹线收敛中心为疲劳源6；微观上，可见多条曲折发展的斜向平行细裂纹，挤压流变区可见表层组织受挤压变形（见图 2）。宏观和微观探察的结果表明了一系轴箱弹簧断裂为典型的疲劳失效。2 轴箱弹簧失效原因分析 现场调研表明，断簧处车轮存在长期服役但未维护现象。为此，需开展车轮不圆度测试以了解车轮表面状况，研究弹簧承受的疲劳载荷特性。此外，对弹簧进行模态测试以掌握其结构特性，结合其他相关实测数据综合分析弹簧断裂的原因。2.1 车轮不圆度测试 为掌握车轮表面状况，对车轮的不圆度开展测试：缓解车辆制动，保证制动闸瓦与车轮无接触；用千斤顶将一个轮对抬起（车轮踏面约距轨面 3 5 mm），将车轮不圆度测试仪放置在轨面上，测试感应仪放置在车轮中部，置换感应轮接触到测试车轮，转动车轮以获取车轮的多边形磨耗情况（见图 3）。图 3 车轮不圆度现场测试图 车 轮 测 试 顺 序 分 别 为 M1 车、M2 车、MP1 车、MP2 车、TC1 车和 TC2 车，测试得到断簧处车轮不圆情况，存在明显的多边形磨耗（见图 4a）。断簧位置位于 M2 车二位端右侧轴箱位置，可以看出断簧处的车轮径跳值最大，车轮表面状况较为恶劣（见图 4b）。?图 2 断口宏观和微观分析图 4 断簧处车轮不圆度测试结果贺延霖，周劲松，王腾飞，王嘉豪，耿 璇：地铁车辆一系轴箱弹簧失效分析及优化2023 年第 5 期 43 利用同样方法对多列断簧车辆的车轮开展不圆度测试，对车轮多边形幅值进行汇总，可以看出断簧处的车轮多边形幅值普遍在整车的平均水平以上，且前 10 阶存在显著多边形，车轮情况糟糕，故车轮多边形磨耗可能是弹簧断裂的关键因素（见图 5）。图 5 断簧 3 车多边形平均值2.2 弹簧模态测试 为掌握弹簧的结构特性，利用基于输入输出的模态试验测试方法（EMA）对一系轴箱弹簧开展模态测试7（见图 6）。图 6 弹簧模态测点图 模态测试结果显示，弹簧的一阶模态频率为77.5 Hz，模态振型为一阶垂向振型（见表 1）。2.3 轴箱弹簧断裂失效原因分析 车辆运行过程中，车轮多边形的激励频率 f 可通过?表 1 弹簧模态测试结果阶数频率/Hz模态振型177.5一阶垂向287.6一阶扭转396.6一阶弯曲以下公式进行计算：f=VN（1）2R式中：f 为激励频率；V 为车辆运行速度；N 为多边形阶数；R 为车轮有效圈半径8。根据实测，列车运营速度一般在 70 75 km/h，车轮有效圈半径为 410 mm，根据式（1）可知 7 10 阶多边形的激励频率（见表 2）。车轮十阶多边形产生的谐波频率与弹簧的一阶模态频率接近，很有可能直接激发弹簧固有频率。为此，对弹簧动应力进行现场实测，得到分析结果（见图 7）。图 7 镟轮前后弹簧断裂处应力频谱图 可以看出，当车辆以 75 km/h 左右的速度行驶时，弹簧在 77 Hz 左右存在较大的应力集中，对应着其一阶固有频率，且镟轮后应力有明显的降低。这表明当地铁车辆运营过程中，车轮不圆对一系轴箱弹簧应力响应影响显著，且车轮十阶左右的多边形激励会与轴箱弹簧产生结构共振，放大了弹簧动应力响应幅值，从而导致轴箱弹簧出现过载疲劳失效现象。3 轴箱弹簧失效优化方案及优化效果 车轮十阶多边形激励频率与一系轴箱弹簧的固有频率接近，产生了结构共振，在弹簧固有模态存在较大的能量集中，对轴箱弹簧造成了较大损伤，发生了断裂。基于此，分别提出 2 种提高弹簧服役寿命方案：定期轮轨维护和安装新结构参数的螺旋弹簧，并对 2 种优化方案的效果进行分析。3.1 建立多体动力学模型 为掌握不同工况下轮轨激励和弹簧的动态响应情表 2 车轮多边形激励频率阶数频率/Hz752.8 56.6860.4 64.7967.9 72.81075.5 80.9?贺延霖，周劲松，王腾飞，王嘉豪，耿 璇：地铁车辆一系轴箱弹簧失效分析及优化2023 年第 5 期 44 况，在 Simpack 中建立刚柔耦合多体动力学仿真模型（见图 8）。图 8 以弹簧为柔性体的动力学模型 将实测的车轮廓形和轨道谱输入到动力学模型中并对模型进行验证，分别对弹簧模态和轴箱加速度进行对比验证，得到相关结果（见表 3、图 9）。实测与仿真的弹簧主要模态频率和振型基本一致，实测与仿真的轴箱加速度主频和走势吻合，基于此，动力学模型验证通过。图 9 轴箱加速度频谱对比图3.2 疲劳损伤评估 对应力时域信号进行雨流计数得出多级应力谱，将每一级应力幅与材料的 S-N 曲线对应，得出每一级应力幅循环数 ni以及该等级应力循环次数达到破坏时总的循环次数 Ni，通过 Miner 损伤累积理论得出损伤 D，如下所示：D=Di=ni（2）Ni3.3 车轮维护及优化效果 随着列车运营，车轮表面会出现多边形磨耗，导致簧下激励变大，产生结构共振，加速弹簧疲劳断裂的进表 3 弹簧模态对比表阶数模态频率/Hz模态振型177.2一阶垂弯287.4一阶扭转394.9一阶弯曲?i=1i=1程。从激励本身出发，提出定期进行车轮维护的建议，实测得到弹簧应力的时域曲线，转换为频域曲线（见图7）。镟轮后，由多边形磨耗激扰引起的弹簧振动加速度主频幅值降低，尤其是 77 Hz 处的结构共振点，该位置能量大幅减少。同时，基于雨流计数和 Miner 损伤累积理论对 2 种工况下测得的时域应力信号进行计算，得到 100 万 km的疲劳损伤值（见表 4）。车轮维护前弹簧的损伤值达到了 2，超过了限定值 1，若不进行维护，弹簧必然会发生疲劳断裂，而镟轮后，损伤值降到了 0.59，分别降低了 35.25%。综上，镟轮对降低轴箱弹簧疲劳损伤具有一定效果。基于刚柔耦合多体动力学模型，将一个断簧处测试车轮的磨耗状态进行等比放大或缩小，从而研究不同车轮磨耗量对一系钢簧疲劳损伤影响量，分别设置车轮径跳为 0、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mm，得到不同车轮径跳工况下轴箱弹簧损伤趋势图（见图 10）。随着径跳的增加，弹簧疲劳损伤呈现非线性增加。图 10 不同径跳值下弹簧损伤趋势图 对损伤趋势进行拟合，得到弹簧损伤与车轮径跳的拟合曲线，计算得到损伤值达 1.0 时车轮径跳为0.85 mm，在此线路条件下，若车轮径跳超出此限值，则会使轴箱弹簧产生较大损伤。3.4 弹簧结构参数优化及优化效果 除了降低轮轨激励外，还可以对弹簧的结构参数进行优化，改变弹簧的固有频率，使其远离车轮多边形激励频率，避免产生结构共振。弹簧的结构参数包括簧丝直径、弹簧中径和有效圈表 4 各工况下的疲劳损伤值工况损伤值 D车轮维护前2.00镟轮后0.59?D?贺延霖，周劲松，王腾飞，王嘉豪，耿 璇：地铁车辆一系轴箱弹簧失效分析及优化2023 年第 5 期 45 数等，分别结构参数进行优化得到一组新参数（见表5）。建立新弹簧的有限元模型，分析其模态，新结构参数的弹簧一阶模态为 95.1 Hz，远离了 77.0 Hz 的激励频率（见图 11）。轴箱弹簧的刚度 K 的计算公式如下：K=Gd 4（3）8aR3式中：G 为剪切弹性模量，d 为簧丝直径，a 为有效圈数，R 为弹簧中心直径，计算出优化参数后的钢簧刚度由 640 上升至 810 N/mm，为验证此刚度是否能满足车辆动力学指标性能，在 Simpack 模型里面将一系悬挂刚度设置为此刚度，计算车辆运行 75 km/h 时，车辆运行横向平稳性，从结果中可以看出，平稳性指标由 1.61上升至 1.79，低于标准中的 2.50，这证明了优化参数具表 5 弹簧参数对比表旧弹簧优化参数弹簧有效圈数 a簧丝直径d/mm弹簧中径R/mm有效圈数 a簧丝直径d/mm弹簧中径R/mm3.8382043.940200有一定的合理性。为探究镟轮前后轴箱弹簧振动响应和应力变化，利用 Ansys 和 Simpack 进行联合仿真，将新弹簧缩聚到动力学模型中进行仿真，列车运行速度设为 75 km/h，在模型中输入实测车轮不圆，得到弹簧的振动加速度，分别为新旧弹簧振动加速度时域图和频谱图，车辆运行中新结构参数的弹簧振动加速度明显减小，77.0 Hz、85.0 Hz 主频处加速度幅值明显降低，由于弹簧模态频率接近 95.0 Hz 的激励主频，该处加速度幅值有所增加，但优化后螺旋弹簧整体的振动量级水平依然会降低（见图 12）。?图 11 新弹簧前三阶模态频率和振型图 12 新旧弹簧振动加速度时域、频域曲线?更换新弹簧后，弹簧断裂处应力明显减小，尤其是主频处的应力幅值（见图 13）。更换新弹簧后，弹簧所受应力幅值降低，且对应每一阶应力幅的频次都减小（见图 14）。根据雨流计数和 Miner 损伤累积理论，计算弹簧更换前后的应力损伤 D（见表 6）。采用新结构参数的弹簧在同样的运营条件下疲劳损伤从 2.00 降到了 0.11，降低了 94.5%，优化效果明显。4 结语 基于试验数据和仿真模型，分析弹簧失效的原因，提出 2 种改进措施，并针对优化方案分析优化效果，得到如下结论。（1）通过弹簧的断口分析，确定地铁车辆一系轴箱弹簧断裂为典型疲劳失效；通过弹簧的模态、动应力、车轮不圆度以及车辆振动测试，掌握了弹簧固有特性和轮轨激励情况，分析结果表明弹簧的固有频率与车轮十阶多边形激励频率接近，二阶多边形磨耗较为突出，导致了疲劳源的产生，疲劳裂纹不断扩大，最终产生了疲劳断裂的情况。（2）根据分析结果从轮轨激励和弹簧自身两方面提出改进措施，分别是及时进行车轮维护和更新弹簧结构参数，2 种方案均具有良好的优化效果，优化前弹簧的损伤值为 2，镟轮后损伤值降为 0.59，若不及时进行镟贺延霖，周劲松，王腾飞，王嘉豪，耿 璇：地铁车辆一系轴箱弹簧失效分析及优化2023 年第 5 期 46 轮，当车轮径跳达 0.85 mm 时会对轴箱弹簧造成严重的疲劳损伤；采用新结构参数弹簧后，弹簧损伤值降为0.11，分别降低了 35.25%和 94.5%。其中，镟轮的经济性最强，而更换新弹簧优化效果最明显，可使整体维护周期增加。基于2种优化方案可综合制定相关运维计划。参考文献：1 张子璠，王克肖，杨广雪.机车轴箱弹簧断裂失效分析及疲劳寿命评估 J.重庆交通大学学报（自然科学版），2022，41（7）：137-143.2 李刚.SDD 8 型机车轴箱弹簧断裂分析及改进 J.铁道机车车辆，2010，30（4）：33-35；92.3 沈豪.上海轨道交通 03A01 型车辆轴箱弹簧断裂原因分析J.城市轨道交通研究，2019，22（5）：91-94.4 张伟龙，张志和，刘辉，等.转向架轴箱弹簧断裂失效分析及预防 J.铁道机车车辆，2019，39（5）：104-107.5 宗志祥.地铁车辆一系钢弹簧断裂问题研究 J.电力机车与城轨车辆，2022，45（6）：121-127.6 李明，李金红，马宇，等.减振器螺旋弹簧断裂分析 J.金属加工（热加工），2023（3）：99-102.7 高亚楠.30T 轴重机车主要部件试验模态分析的研究 D.北京：北京交通大学，2015.8 WANG K Y,YANG Y F,XU M K,et al.An experimental investigation of the mechanism and mitigation measures for the coil spring fracture of a locomotiveJ.Engineering Failure Analysis,2022,135:106157.图 13 弹簧应力时域、频域曲线对比图?图 14 弹簧应力幅-频次对比图表 6 更换弹簧前后损伤值工况损伤值 D安装旧弹簧2.00更换新弹簧0.11贺延霖，周劲松，王腾飞，王嘉豪，耿 璇：地铁车辆一系轴箱弹簧失效分析及优化