城市轨道车辆构架裂纹故障研究

何切

深圳市地铁集团有限公司运营总部

摘要：城市轨道车辆转向架零部件疲劳裂纹问题是轨道交通在长期运行中出现的问题之一。本文主要以线路实测的应力和加速度一时间历程为基础，通过频域比较，找出构架疲劳破坏的根本原因，供同行借鉴参考。

关键词：城市轨道；转向架；构架裂纹；故障

一、应力测试数据分析

（一）应力数据分析

根据频谱(图1)，测点在42Hz和51Hz两个频段均有较高能量的输入，而且经过疲劳评估后，已超过了疲劳极限(70MPa)。这两种情况均在表明，地铁车辆在运营过程中应力响应较大，容易出现疲劳破坏。

图1构架测点频谱图

（二）构架模态分析

有限元模态分析结果表明电机反向点头频率为50.Hz，和线路测试数据的2个高频段相互对应(图2～3)。

图3电机反向点头模态

（三）新车应力数据分析

车辆构架的线路应力测试数据全部正常，疲劳评估横梁上各测点的等效应力幅值都没有超过70MPa。部分测点的频谱如图4所示，在42Hz和51Hz2个高频段并无显著峰值。这表明车辆在交付使用时，构架并没有出现高频谐振现象，构架各个位置都符合疲劳强度要求，满足安全运营条件。

图4车构架测点频谱图

车辆构架受力正常，而列车运行几年之后构架横梁上测点的时域曲线产生不正常的“拍”形现象，频谱图上显示在42Hz和51Hz时有峰值；模态分析结果在这2个频段也有相应的振型。由此可以看出，列车现在的运营条件发生了很大变化，外界激扰的恶化导致列车运行过程中构架发生了谐振，使得横梁上各焊接位置的等效应力超过疲劳极限，产生疲劳破坏。

二、速度分析

（一）车辆电机加速度分析

根据车辆动力学测试结果，在60km／h速度级下，电机的垂向加速度最大值为59左右，大部分幅值在±19以内，属于正常振动量级。但从频谱图(图5)上看，在42Hz和51Hz2个频段出现显著峰值，表明这2个频段对加速度能量的贡献比较高。但电机垂向属于高频低幅值振动，对构架横梁变形影响不大，所以构架横梁测点的应力幅值不大，在42Hz和51Hz这2个高频段也无显著峰值。

图5电机垂向加速度频谱图

将电机加速度、轴箱加速度和运行速度局部放大可以看出，轴箱和电机在垂向产生了规律性的振动(图6)。在69km／h的速度下，垂向加速度每隔1．3S出现振动峰值。列车在1．3s时间段内运行约25m好与钢轨的长度一致，因此可以推断出，轨缝冲击导致轴箱产生规律性的振动，通过振动传递致使电机垂向在42Hz和51Hz时产生较高的能量。

图6轴箱、电机垂向加速度与速度时域图

（二）电机加速度分析

测试数据显示，电机的垂向振动比新车辆要恶劣得多，其振动能量在42Hz和51Hz时很突出，与构架中部的应变频谱相一致(图7)。从新车辆与往年的电机垂向加速度频谱比较可知，频谱与新车的频谱趋势是一致的，只是响应能量大了很多，可以推测是由于轮轨冲击引起的电机异常振动。

图7车辆电机加速厦频谱比较

（三）轴箱加速度分析

轴箱加速度信息是车辆轮轨振动输入的最直接体现，线路测试在2位转向架斜对称位置的6号和7号轴箱布置了加速度传感器。从轴箱加速度对比图(图8)来看，轴箱振动与新的轴箱振动相比在量值上放大很多倍，表明之前车辆运行状态较差，且6号轴箱的能量明显高于7号轴箱，表明前后轴的振动还不一致。

图8轴箱加速度时域对比

将同一站间6号和7号轴箱的垂向加速度局部进行对比(图9)，可以发现7号轴箱有间歇性冲击，根据列车的正常运行速度可以确认在1．3s的时间内运行距离约为25m，因此7号轴箱的间歇性振动是轨缝冲击导致的。在轨缝冲击之间，6号轴箱还存在9个左右的其他冲击作用。根据车轮直径，可确认6号车轮所在的轮对可能存在如径跳、扁疤或擦伤等缺陷。文献[5—6]指出，当车辆通过轨道接头时，轮轨冲击力因其作用频率高(一般在500Hz左右)，一般出现在冲击开始后0．5ms左右的瞬时，来不及向车上和轨下传递即已消失。与此相反，整个车辆与线路系统受脉冲激扰出现的中低频冲击力，由于作用频率低(一般在30～100Hz之间)、持续时间长、变化缓慢，因而能够充分向上传递，会造成车辆簧上系统的损伤。轮轨低频冲击无论是轨缝接头，还是车轮缺陷，都可以归结为低频冲击力的影响。

图9同一站间轴箱加速度局部对比

三、轮径跳测试

根据以上的结论，对该测试车进行了车轮径跳测试(分别在车轮踏面距轮缘内侧70mm和95mm2个位置测试车轮的不圆度)。5号、6号车轮的测试结果如图11所示。由图11可知，5号车轮不圆度严重超标，其名义滚动圆处(70mm)的车轮径跳值为2．111mm，踏面不圆度以偏心磨耗为主，因此这条轮对在运行过程中必然引起车辆异常振动。

图105号、6号车轮的车轮不圆度示惹图

四、结束语

通过以上数据分析可以看出，轨缝和轮对径跳超标造成的轮轨低频冲击力持续激发构架的2个固有模态振动，导致构架横梁产生高频谐振，最终产生疲劳破坏。实际上，轮轨之间的冲击作用向上传递给车辆，造成构架疲劳破坏，向下施加于轨道结构，使得轨道条件进一步恶化，轮轨冲击力进一步加大。因此，既要定期对车轮进行旋修处理，保证车轮径跳在合理范围内，还要按照相关标准对钢轨状态进行检测，尽量减小轨缝间隙和各种不平顺，避免轮轨系统剧烈的动力作用，使车辆和轨道部件保持良好的工作状态。

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