地铁车辆车顶吊挂元件动态试验工装设计

　　摘要:为研究地铁车顶吊挂元件所用连接件的连接参数和疲劳特性，设计一套地铁车辆车顶吊挂元件动态试验工装。工装固定在振动试验台上，模拟地铁车辆车顶局部吊挂梁的安装结构，测试车顶吊挂梁连接件在模拟振动环境下的连接参数，为地铁车辆常用紧固件连接参数的选定提供依据。为验证工装的力学特性是否满足试验要求，利用有限元软件校核工装强度，并在其频域内进行随机振动疲劳分析，计算结果表明工装的静强度和疲劳寿命均满足试验要求。

　　关键词:地铁车辆;车顶吊挂;试验工装设计;力学特性;疲劳

　　随着地铁车辆运营速度和载重量的不断提高，车辆关键部位连接结构的服役性能已成为影响地铁车辆运行安全的关键性问题之一。车顶是轨道车辆车体结构的四大部件之一，既要承受车辆运行时受到的纵向力和冲击力，又要承受车顶空调风道、照明设备、立柱和扶手等吊挂设备所产生的垂向载荷。因此，车顶骨架和车顶内装的制造精度、两者之间连接部分的装配质量和激励水平都直接关系到车体的结构强度。

　　目前，对地铁车辆车顶吊挂梁连接件连接状态的研究较少。刘艳等[1]分析吊挂元件的垫片材质、尺寸等变量单独作用和联合作用对地铁车辆上常用螺纹连接件预紧力衰减的影响程度。温楠[2]分析认为，伴随预紧力衰减，螺栓形状有不同程度的改变，给出预紧力的控制措施和螺纹连接件防松的理论方法。基于这些理论研究，需要在振动试验台上模拟车顶吊挂梁的局部安装结构，进行连接件的连接参数和疲劳特性试验，将试验结果与仿真分析结果进行对比，才能验证理论分析的正确性，并综合评价连接件的连接状态和防松效果。[3]

　　因而，模拟车顶吊挂设备安装结构的振动测试装置必不可少。针对地铁车辆车顶吊挂梁上大量应用的T型螺栓，设计一套地铁车顶吊挂元件动态试验工装，模拟车顶吊挂结构连接状态，并利用有限元软件校核工装强度，进行疲劳寿命分析，验证工装力学特性满足试验要求，证明该车顶吊挂试验工装设计满足地铁车顶吊挂紧固件结构优化设计测试要求。

　　1工装结构设计

　　1.1设计要求

　　工装结构设计的目的是:用扭矩扳手将T型槽用带有传感器的GB/T37—1988M8螺栓安装在相应的试验设备上;对螺栓施加实测得到的振动激励信号，通过传感器及其测试系统对连接件进行预紧力变化数据的采集;将试验结果与仿真结果进行对比，综合评价螺栓结构的连接状态。[4]因此，试验工装结构设计要求如下:

　　(1)结构设计合理。车顶边梁与内装框架之间由左右对称的多个吊挂件连接，试验工装仅模拟其中一对吊挂件。工装外框架底面应与振动试验台有足够大的安装面，以准确传递振动台产生的加速度激励。内框架(配重框)底面应有足够的面积放置模拟车顶吊挂设备质量的铁块。设计应充分利用对称性，提高振动加速度传递的可靠性。

　　(2)具有较高的强度和刚度。在进行静载荷试验和动载荷试验时，工装任意时刻、任意一点处的应力大小均不能超过材质的屈服极限。在进行动态试验时，工装结构不应该出现较大的变形，即工装要有较大的动刚度，才能将振动台所施加的振动激励准确传递至被测螺栓上。

　　1.2工装三维模型

　　依据测试要求，工装由框架与配重组成，框架和配重通过连接件、角铁和T型槽等零部件连接。T型槽用GB/T37—1988M8螺栓在该工装上安装，工装外框架尺寸为820mm×720mm×800mm，由多个不同尺寸的方形管焊接成长方形结构，底面尺寸根据振动试验台安装面设计，高度设计考虑振动时内框架部分不与外框架发生干涉。方管壁厚为3mm，节省材料的同时保证工装框架具有一定强度。

　　内框架尺寸为310mm×210mm×405mm，由多个角铁焊接成长方形结构，内部放置质量块模拟配重。角铁(780mm×50mm×4mm)和T型槽部分模拟车顶边梁，T型槽和角铁通过M10的普通六角头螺栓与外框架相连。吊挂件为薄壁结构，壁厚约为5mm。吊挂件与T型槽、吊挂件与内框架之间用T型试验螺栓连接。

　　工装设计采用具有良好可塑性和可焊接性的Q345b低碳合金钢，其弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，材料密度为7.85×10-3g/mm3，屈服极限为345MPa。

　　2强度计算与校核

　　地铁车顶吊挂设备的质量和随机振动环境是影响工装承载品质的关键因素，因此先进行工装静强度校核计算，并结合有限元与疲劳寿命分析进一步在频域内进行随机振动疲劳寿命分析[5]。

　　2.1有限元建模

　　为三维实体部件划分网格时，六面体单元网格HEX可以以较小的计算代价获得较高的计算精度。

　　2.2强度分析与校核

　　进行静载荷强度工况计算。地铁车辆车顶1对吊挂件所承载的设备质量约为140kg，采用附加质量块模拟车顶吊挂设备质量。工装底面用螺纹连接的方式固定在振动模拟试验台上，静载荷工况下约束工装底面全部自由度。对整个模型定义y轴负方向的重力场。最大等效应力值约为36MPa。材料的屈服极限为345MPa，取安全因数n为1.15[7]，则材料的许用应力为300MPa，远大于工装危险点处的等效应力值，因此本文设计的工装静强度满足试验要求。

　　3随机振动疲劳分析

　　根据试验要求，工装完成一次全面的动态试验需要反复施加地铁车顶吊挂梁上实测所得的振动激励(约40s)[4]，同时还需要满足长久使用的要求，故对工装的疲劳寿命进行计算分析。根据疲劳设计的有限寿命设计方法[8]，只要保证工装在规定的使用期限内能安全使用，即为满足设计要求。在满足结构疲劳寿命要求的前提下，不要求其无限次循环使用，因此允许工装的工作应力超过其疲劳极限，以充分利用材料的承载潜力、减轻自重、降低能耗。基于此，对本文设计的工装结构进行随机振动疲劳分析。

　　3.1基本原理

　　将实测的加速度时域信号进行傅里叶变换，计算得到加速度功率谱密度(powerspectraldensity，PSD)，再分析在给定加速度PSD激励下工装的动态应力响应，然后根据材料的疲劳特性曲线和Miner线性疲劳损伤准则估算模型的疲劳寿命及分布。

　　4结束语

　　(1)为检测地铁车辆车顶吊挂元件所用连接件预紧力衰减等连接参数是否合格，分析其疲劳特性，设计一套地铁车辆车顶吊挂元件动态试验工装。该工装结构与实际地铁车辆车顶局部吊挂梁结构相同。振动台施加的加速度激励传递给工装上的待测紧固件，待测紧固件在工装上的安装位置与实际车顶上的安装位置一致，模拟紧固件连接性能的振动试验安装工况。

　　(2)为验证工装的力学特性是否满足试验要求，利用有限元分析软件进行强度计算，校核工装静强度，并对工装进行随机振动应力与疲劳寿命分析，结果表明工装的静强度和疲劳寿命均满足要求。

　　(3)该工装结构可进行地铁车辆车顶吊挂梁连接件预紧力衰减等连接参数试验，从而优化参数，提高地铁车辆螺纹紧固件的使用寿命并减少事故率，具有较高的应用价值，可为地铁车辆常用紧固件连接参数的选定提供依据。

　　参考文献:

　　[1]刘艳，陈飞，王未，等.基于轨道交通系统典型紧固件的预紧力研究[J].机车车辆工艺，2014(3):4-6.DOI:10.14032/j.issn.1007-6034.2014.03.007.

　　[2]温楠.螺纹紧固件预紧力松弛问题刍议[J].航天标准化，2015(2):12-15.

　　[3]程亚军，高阳，刘洪涛，等.地铁客车底架局部吊装仿真分析与疲劳试验[J].铁道技术监督，2012，40(10):31-34.

　　[4]陈晓东.紧固件横向振动试验台的研究与设计[D].武汉:武汉理工大学，2015.

　　相关刊物推荐：《机车车辆工艺》哪些论文发表网站是可信的? 由铁道部主管、中国南车集团戚墅堰机车车辆研究所主办的、全国公开发行的科技类期刊，是我国创办最早的机车车辆工艺杂志。