转向架构架强度试验标准对比.

文章编号：１００２－７６０２（２０１１）０９－００１２－０６转向架构架强度试验标准对比刘德刚１，刘宏友２，李庆升１（１．南车青岛四方机车车辆股份有限公司国家工程实验室，山东青岛２６６１１１；２．青岛四方车辆研究所有限公司技术研究部，山东青岛２６６０３１）摘要：从试验内容、试验载荷、试验工况组合和试验结果评定等方面对比了ＵＩＣ、ＥＮ和ＪＩＳ关于转向架构架强度试验的标准，并针对我国进行转向架构架强度试验给出了一些建议。

关键词：构架；静强度试验；疲劳试验；ＵＩＣ５１５；ＵＩＣ６１５；ＥＮ１３７４９；对比中图分类号：Ｕ２７０．３３１＋．８文献标识码：Ｂ转向架构架是车辆系统上一个至关重要的承载部件，疲劳破坏是其主要的失效形式，抗疲劳强度设计是转向架的设计重点。

针对构架的静强度和疲劳强度，国外高速铁路发达国家有设计规范和试验规范，用以指导构架的设计和生产，保障其强度特别是疲劳强度的可靠性。

我国铁路经过６次大规模提速，车辆运行速度有了大规模的提高，转向架构架承受的动态载荷越来越剧烈，其疲劳可靠性是摆在每位从事铁道车辆疲劳强度研究人员面前的一个重要课题。

作为其疲劳强度研究的一个重要方面，本文将对国外高速铁路发达国家的试验标准进行对比研究。

这些标准包括：ＵＩＣ５１５—４—１９９３《铁路客车—拖车转向架—传动齿轮转向架构架结构强度试验》（以下称ＵＩＣ５１５—４）；ＵＩＣ６１５—４—２００３《动力单元—转向架和走行装置—转向架构架的结构强度试验》（以下称ＵＩＣ６１５—４）；ＥＮ１３７４９—２００５《铁路应用—转向架结构要求的规定方法》（以下称ＥＮ１３７４９）；ＪＩＳＥ４２０７—２００４《铁路车辆—转向架—转向架构架设计通则》（以下称ＪＩＳＥ４２０７）；ＪＩＳＥ４２０８—２００４《铁路车辆—转向架—载荷试验方法》（以下称ＪＩＳＥ４２０８）。

ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４均是单一叙述转向架构架静强度和疲劳强度试验的标准，其中，ＵＩＣ５１５—４针对无动力转向架，而ＵＩＣ６１５—４针对有动力的机车和动车转向架。

ＥＮ１３７４９是关于转向架构架强度设计、计算、试验和生产制造的标准，在其附录Ｃ、Ｄ中叙述了试验载荷计算方法，附录Ｆ叙述了静强度试验方法，附录Ｇ收稿日期：２０１１－０２－２１－，男。

叙述了疲劳试验方法。

该标准根据用途和特点将转向架划分为７种类型，其中类型Ｂ—Ｉ和Ｂ—ＩＩ转向架的试验方法适用于客车、动车和拖车，本文的对比也是基于这２类转向架。

ＪＩＳＥ４２０７、ＪＩＳＥ４２０８适用于机车、客车、货车的转向架构架和摇枕。

ＪＩＳＥ４２０７叙述了转向架构架的设计方法；ＪＩＳＥ４２０８叙述了转向架构架的强度试验方法，所用试验载荷和试验评定标准取自ＪＩＳＥ４２０７。

为了对比标准规定的载荷值的大小，本文对装用在２５Ｔ型车上的某型转向架构架（以下称２５Ｔ转向架）为例，按照不同试验标准计算了构架受到的载荷。

１试验内容对比ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４中规定强度试验分为４部分：超常载荷静强度试验、运营主要载荷静强度试验、运营局部载荷静强度试验、疲劳试验。

ＥＮ１３７４９将强度试验分为３部分：超常载荷静强度试验、运营载荷静强度试验、疲劳试验。

ＪＩＳＥ４２０７、ＪＩＳＥ４２０８只有相当于运营载荷的静强度试验。

ＵＩＣ、ＥＮ等欧洲标准规定的试验项目比较细致；而日本ＪＩＳ标准对转向架焊接工艺做了比较多的规定，而且对构架疲劳强度与测试应力的关系进行了较多研究，仅使用静强度试验结果来评定构架疲劳强度，不再进行疲劳试验。

本文按照ＵＩＣ标准规定的试验内容来进行分析对比，对比项目包括试验载荷、试验工况组合和试验结果评定。

２超常载荷试验对比２．１试验载荷ＩＵ１—４２１·综述·述评铁道车辆第４９卷第９期２０１１年９月验，该试验中工况数比较少，有垂向载荷、横向载荷和扭转载荷。

ＥＮ１３７４９标准中将超常试验载荷分为２部分：由转向架运行产生的载荷及由安装在构架上的零件产生的载荷，其中由转向架运行产生的载荷除了包含ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４规定之外又增加了纵向载荷。

２．１．１二系垂向载荷ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４和ＥＮ１３７４９标准中关于作用在左右二系悬挂位置的垂向载荷的算法是基本一致的，均为运用过程中有可能发生的最大静载荷乘以１．４倍系数，ＵＩＣ６１５—４又规定此系数在运用环境特别恶劣时可以增大到２．０。

运用过程中有可能发生的最大静载荷为整备状态车辆的重量加上运用中可能发生的乘客和行李的最大重量再减去转向架的重量。

关于运用中可能发生的乘客和行李的最大重量的算法，ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４及ＥＮ１３７４９标准中Ｂ—Ｉ型转向架的算法完全相同，都是根据乘客数量和乘客重量计算得到的。

根据ＵＩＣ５１５—４及ＥＮ１３７４９标准的规定，２５Ｔ转向架超常垂向试验载荷为：Ｆｚｍａｘ＝４ｖｃ１×ｇ＝４×４８．５×９．８１＝１６６．５３（ｋＮ）式中：ｍｖｃ１———整备车体加乘客质量，ｔ。

２．１．２横向载荷ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４和ＥＮ１３７４９标准中关于横向超常载荷的算法也是一致的，其数值为平均到每个轮对上的整备状态车辆重量与超常状态下的乘客及行李重量之和的１／３加上１０ｋＮ再乘以２。

按照此算法，２５Ｔ转向架的超常横向载荷为：Ｆｙｍａｘ＝２×（ｍｖｃ１＋２ｍｂ）３×４］＋１０＝２×（）１２］＋１０＝１１７．２８（ｋＮ）式中：ｍｂ———一个转向架的质量，ｔ。

２．１．３扭转载荷３个标准中规定的扭转试验载荷不尽相同。

ＵＩＣ５１５—４和ＥＮ１３７４９的规定基本一致，有２种试验工况：即在构架上施加超常垂向和横向载荷的同时使构架产生模拟通过顺坡率１０‰线路的扭曲量；在转向架上施加空车重量导致的载荷，同时模拟一个车轮完全卸载，车轮的垂向位移量不超过钢轨的高度。

ＵＩＣ６１５—４只规定了模拟转向架的一个车轮完全不承载时的情况。

２ＥＮ１３７４９中规定了２种纵向载荷：（１）模拟转向架在运行中前后轮对的摇头运动导致的纵向载荷，施加在每个车轮上，同一轮对上的纵向载荷方向相反，构成一个力偶，前后轮对上力偶之矩相反。

施加在车轮上的载荷值为施加在每个转向架的二系悬挂上的垂向总超常载荷与一个转向架的重量之和的１／１０。

那么，施加在２５Ｔ转向架构架每个轮子上的纵向载荷为：Ｆｘｍａｘ＝１０×（２Ｆｚｍａｘ＋ｍｂ×ｇ）＝１０×（３３３．０６＋５．５×９．８１）＝３８．７０（ｋＮ）（２）在不能模拟冲击试验的情况下，对动车构架施加模拟纵向３ｇ冲击导致的惯性力，对拖车构架施加模拟纵向５ｇ冲击导致的惯性力。

施加在２５Ｔ转向架上的纵向载荷为：Ｆｘｍａｘ１＝５ｍｂｇ＝５×５．５×９．８１＝２６９．７８（ｋＮ）２．１．５ＥＮ１３７４９规定的由构架上的安装零件导致的载荷由零部件的振动产生的超常载荷用加速度乘以相应的质量得到，标准中给出了干线运行时的典型数值：减振器导致的载荷取为设计卸荷力的２倍，并规定了减振器典型卸荷速度；制动引起的超常载荷取为紧急制动所产生载荷的１．３倍；驱动系统的超常载荷取为电机短路等动力系统故障所产生的异常大的载荷；抗侧滚扭杆装置的载荷取为运行中可能发生的车体与转向架的最大倾斜度时的载荷。

ＥＮ１３７４９标准同时适用于有动力和无动力的车辆转向架，而且规定的超常载荷比ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４标准内容多一些，但３个标准所规定的主要超常载荷值基本是一致的。

２．２试验工况组合ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４标准中均没有说明超常载荷试验时载荷工况如何组合，ＥＮ１３７４９标准中对工况的组合情况有较详细的说明：（１）将垂向载荷、横向载荷、纵向载荷和扭转位移（１０‰线路扭曲）按照运用中有可能产生的情况进行组合；（２）垂向施加空车自重载荷同一个车轮１００％卸载的扭转变形相叠加；（３）垂向施加超常载荷与每个局部超常载荷相叠加。

２．３试验结果的评定ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４标准规定的合格标准是构架不能产生永久变形，即各测点的应力不超出材料的屈服极限，卸载后构架能够弹性复原。

ＥＮ１３７４９标准规定的合格评定比ＵＩＣ５１５—４、Ｕ６１５，·３１转向架构架强度试验标准对比刘德刚，刘宏友，李庆升产生过度的弹性变形，但没有给出弹性变形的允许值。

３运营载荷试验对比３．１试验载荷ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４标准中将运营载荷试验分为２部分：主要运营载荷试验和局部运营载荷试验，主要运营载荷有作用于左右二系悬挂位置的垂向载荷、横向载荷和扭曲载荷。

ＥＮ１３７４９标准中将运营试验载荷也分为２部分：由转向架运行产生的载荷及由安装在构架上的零部件产生的载荷，相当于ＵＩＣ标准中的主要运营载荷和局部运营载荷，其中由转向架运行导致的载荷除ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４标准规定之外又规定了纵向载荷。

ＪＩＳＥ４２０７、ＪＩＳＥ４２０８标准中规定的试验载荷与欧洲标准完全不同。

该标准中直接将载荷分为静态和动态２部分，它们分别产生平均应力和变化应力。

所规定的载荷量值和结果评定方式视同于欧洲标准中的运营载荷试验。

３．１．１二系垂向载荷ＵＩＣ５１５—４、ＵＩＣ６１５—４和ＥＮ１３７４９标准规定的垂向载荷的计算方法是一致的，均为整备状态下车体的重量再加上１．２倍运营状态下乘客及行李的重量分配到二系悬挂位置的重量，此载荷为垂向的静态载荷，垂向载荷还包含准静态和动态载荷，准静态载荷取为垂向静态载荷的α倍，动态载荷取为垂向静载荷的β倍，其中，α、β称为侧滚系数和浮沉系数，并建议在欧洲线路上运营车辆的数值分别为０．１和０．２。

按照此算法，施加在２５Ｔ转向架构架每个侧梁上的垂向静态载荷为：Ｆｚ＝４（ｍｖ＋１．２Ｃ２）×ｇ＝４（４０＋１０．２）×９．８１＝１２３．１２（ｋＮ）式中：ｍｖ———整备状态下车体的质量，ｔ；Ｃ２———运营状态下乘客及行李的质量，ｔ。

准静态载荷、动态载荷则分别为１２．３１ｋＮ、２４．６２ｋＮ。

ＪＩＳＥ４２０７、ＪＩＳＥ４２０８标准中规定转向架构架承受的垂向静态载荷为车辆静止时的载荷，该载荷包括车体及转向架自重、装载物的重量（对客车来说，取为定员数的１倍～３倍），垂向动载荷取为垂向静态载荷的０．２倍～０．５倍。

按照ＪＩＳ标准的规定，２５Ｔ转向架构架每侧梁垂向静态载荷为（承载量一般取为定员的２倍）：Ｆｚ＝（ｍｖ＋１．２Ｃ２）×ｇ＝４（４０＋１７）×９．８１＝１３９．７９（ｋＮ）垂向动态载荷一般取为静态载荷的０．３倍，即为４１．９４ｋＮ。

可见ＪＩＳ标准与ＵＩＣ、ＥＮ标准给定的垂向载荷值没有大的区别，ＪＩＳ标准关于动态载荷的规定要比欧洲ＵＩＣ、ＥＮ标准简单些。