第３ｏ卷第５期　２０１０年１Ｏ月　铁道机车车辆　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥ＆ＣＡＲ　Ｖｏ１．３Ｏ　Ｎｏ．５　０ｃｔ．　２Ｏ１０　

文章编号：１００８～７８４２（２０１０）０５—００４９—０４　

机车和动车转向架构架强度试验方法应用　

尚景华　（中国铁道科学研究院标准计量研究所，北京１０００８１）　

摘　要根据ＴＢ／Ｔ　２３６８｛动力转向架构架强度试验方法》，对机车、动车转向架构架强度试验中有关试验工况、加　载力值、合成原则、判定、应力采集及计算等若干具体问题进行了研究，总结出不同结构转向架试验时的具体方法，　使标准更易理解，执行更快捷、准确。　关键词　静强度试验；合成原则；应力采集；疲劳试验　中图分类号：Ｕ２６０．３３１　文献标志码：Ｂ　

目前，国际国内关于机车、动车转向架构架强度试　验通常采用的标准为：ＴＢ／Ｔ　２３６８—２００５（（动力转向架构　

架强度试验方法》（以下简称：铁标），ＵＩＣ　６１５－４—２００３　《电力动车一转向架和走行装置一转向架构架的结构强　

度试验》。主要试验内容包括静强度试验和疲劳试验两　大部分，由于标准中有些工况及加载的力值规定的不详　细，所以具体进行试验时有时无从下手。在经过多次、　

不同结构的构架试验基础上，分析了各种情况，对试验　工况、加载力值、合成原则、判定、应力采集及计算等若　

干具体问题进行了研究。　１静强度试验　静强度试验分为超常载荷的静强度试验、模拟主要　

运营载荷的静强度试验和模拟特殊运营载荷的静强度　试验。各载荷的定义及方向见图１。　

图１　静强度试验加载示意图　

１．１　超常载荷的静强度试验　

这部分试验的目的是验证在运用时可能出现的最　大载荷的共同作用下，转向架是否存在永久变形的危　

险。找到最大应力点，其值不得超过转向架构架材料的　弹性极限，即不产生永久变形。　关于超常载荷的静强度试验其垂向试验载荷和横　向试验载荷按铁标中的公式（１）、（２）计算。需要进行的　

工况总结见表１。　超常载荷工况１是模拟只有垂向载荷（转向架每　侧）的情况。　

超常载荷工况２、３是模拟即有垂向载荷（转向架每　侧）又有左右横向载荷（每转向架）的情况。　

超常载荷工况４是模拟有垂向载荷（转向架每侧）　且侧梁１或侧梁２前端车轮１００　减载（悬空）的情况。　

超常载荷工况５是模拟有垂向载荷（转向架每侧）　且有牵引力的情况。铁标规定“在超常载荷的静强度试　验中没有模拟纵向力”，对于机车转向架因牵引力很大　

应模拟此工况。Ｆｘｍａｘ的取值多数为每转向架的最大　启动牵引力或每转向架的３　ｇ加速度所承受的载荷。　

表１超常载荷的静强度试验工况　

１．２模拟主要运营载荷的静强度试验　

这部分试验的目的是验证在运用时出现的主要载　荷（垂向、横向和轨道扭曲）的共同作用下，转向架是否　

存在产生疲劳裂纹的危险。　

关于模拟主要运营载荷的静强度试验其垂向试验　载荷和横向试验载荷按铁标中的公式（３）、（４）计算。需　

尚景华（１９６３）男，河北文安人，高级工程师（修ｌⅡ１　Ｈ期：２０１０—０７—１　６）

　５０　铁道机车车辆　第３Ｏ卷　

要进行的工况见铁标中的表１。　

标准要求定义构架在安装牵引电机之前的状态为　试验初始状态（应变计零点），牵引电机安装完毕后，就　可以对转向架构架施加不同组合的载荷。牵引电机质　

量影响的成分很小，在此可不考虑，在模拟特殊运营载　

荷的静强度试验中牵引电机和传动系统的工况考虑其　质量、扭矩、振动的影响即可。其中对应于转向架运行　于５‰扭曲线路时构架扭曲位移量，即侧梁１或侧梁２　

前端轴箱处的垫高、降低量可按以下公式计算。　１　ｃ　５‰轨道扭曲位移量：ｈ　一ｚ　×　×　ｒ　上ＵＵＵ　式中ｈ　为５‰轨道扭曲位移量，ｍｍ；ｚ　为１位和２　

（或３）位轮对轴距，ｍｍ；ｚ。为一系簧支撑横向问距，　ｍｍ；ｚ　为轮与轨水平面接触距离（标准轨：１　４９３　ｍｍ，　

宽轨：１　５８０　ｒａｍ）。　对于每个测点，记录每一种载荷工况引起的应力　

值，并从中找出最小值‰　和最大值　…后，按铁标中的　

公式（５）、（６）计算，得到平均应力　和应力幅Ａａ。　参照由ＯＲＥ　Ｂ１２／ＲＰ１７提供的钢材疲劳极限图，　

＼　／－　／／　鬣．　

／　／　，　／　，．．　

』　～　

图２抗拉强度≥３７０　ＭＰａ的钢材疲劳　极限图（Ｇｏｏｄｍａｎ图）　把所有点绘在Ｇｏｏｄｍａｎ疲劳极限图上（见图２、图３）。　所有描点应在允许的范围内，若超出应按铁标中的相关　

规定分析解决。　１．３模拟特殊运营载荷的静强度试验　

这部分试验的目的是验证在转向架各零部件（电　机、制动器、减振器等）产生的载荷的反复作用下，转向　

架构架是否存在局部疲劳裂纹的危险。　首先在构架的每侧施加垂向载荷Ｆｚ，然后分别以　正反两个方向施加各种特殊运营载荷（施加载荷方向以　

便于施加载荷为原则）。对于载荷施加方向与要求的载　荷方向相反的工况，可采用应力反向折算方法。特殊运　

营载荷各工况与主要运营载荷各工况应力最大值、最小　值（按偏于安全方式）进行叠加。在整个过程中要保证　

车轮下的反作用力之和保持恒定。对于每一个测点采　用与模拟主要运营载荷的静强度试验一样的方法描出　Ｇｏｏｄｍａｎ疲劳极限图，所有描点应在允许的范围内。　

关于模拟特殊运营载荷的静强度试验不同转向架　都有各自形式，需要进行的试验工况总结见表２。　

Ｉ　１　Ｊ　／　名　／　／　／／　～　

１００－２００　３００　０　３００　２００　１００　平均应力／ＭＰａ　

图３抗拉强度≥４２０　ＭＰａ的钢材疲劳　极限图（Ｇｏｏｄｍａｎ图）　

关于铁标规定５．１．２电机牵引／制动装置，制动装　置此处表述是电制动或称再生制动，其考核可以从表２　

中工况１牵引电机和传动系统和工况５牵引力来解决，　因其程度更严酷，在此不讨论此工况。　

铁标规定“５．１．６纵向力”，其考核可以从表２中工　

况５牵引力来解决，因其力值更大（每转向架最大的启　动牵引力），程度更严酷，本文未列出。　

以下列出了工况１和工况２中不同形式牵引电机、　

制动的试验载荷的计算情况　１．３．１工况１模拟由于牵引电动机和传动系统的惯性　

引起的动态影响　试验载荷的计算一般按电机悬挂方式不同而分别　

考虑：在构架悬挂点上，施加　倍于悬挂总量的载荷，　枣兰　壁鲞重重垦煎　堑堡星堇墼＝三　磊构Ｆｚ架１／每ｋＮ侧的Ｆ垂ｚ２向／ｋ力Ｎ　特殊载荷／ｋＮ　工况　…　………　

对于抱轴式动载荷系．２７取４．５，对于架悬或半体悬ｚ取　

２．５。　（１）抱轴式悬挂（见图４），在电机最大扭矩情况下，　试验施加载荷Ｆ　计算：　

Ｆ乩：Ｆ　ｄ＋Ｆ　

Ｆ　为牵引电机和传动系统作用在悬挂点垂向动载荷；　

Ｆ　ｄ—ｘＦ　ｄｊ　ｚ为抱轴式动载荷系数取ｚ一４．５；Ｆ　为牵引电机和传　

动系统作用在悬挂点的静载荷；Ｆ　为牵引电机和传动　系统扭矩作用在悬挂点的载荷；　

Ｆ　一Ｍ　×　／（Ｚ　＋Ｚ２）　式中Ｍ　为电机额定扭矩（Ｎ・ｍ）；ｉ为齿轮传动比；　ｚ　＋ｚ　为轮对到电机吊座的距离（ｍ）。　瑚　㈣　ｏ　㈣　姗　日　＼ｆ

ｆ埕霸　第５期　机车和动车转向架构架强度试验方法应用　

］ｆ　‘　Ｉ。　

】　

晦　１　：　／　

—　＼　／　／　

图４抱轴式牵引电机悬挂　

（２）牵引电机架悬式、空心轴式（见图５）在电机最　大扭矩情况下，若要考虑驱动装置３　ｇ的垂向振动作　

用，分别计算垂向振动不同方向时的载荷。　

图５牵引电机架悬式　

电机座处、方向向上：　

Ｆ　ｄ１一～［　＋（３—１）×ｍｄ×ｇ×　

（ｚ　＋ｚ。）３／（ｚ１＋ｚ　）　电机座处、方向向下：　

Ｆ　ｄ２一［Ｍ　＋（３＋１）×ＴＹｔｄ×ｇ×　

（ｚ２＋ｚ３）］／（ｚ１＋ｚ２）　

摆杆座处、方向向上：　

Ｆｂ　一～［　＋（３—１）×／７１ｄ　Ｘ　ｇ×　

（Ｚ１一ｌ３）］／（ｚ　＋ｚ２）　

摆杆座处、方向向下：　

Ｆｂ　＝［Ｍ　＋（３＋１）Ｘ　ｄ　Ｘ　ｇ×　

（ｚ１一ｆＩｎ）３／（ｚ　＋ｚ２）　

式中Ｍ。为牵引电机启动扭矩，Ｎ・ｍ；ｍａ为牵引电机　

质量，ｋｇ；ｚ　为轮对到电机座距离，ｍ；ｚ　为轮对到摆杆　

座距离，ｍ；ｚ。为轮对到电机中心距离，ｍ。按照实际每　

座的受力进行组合（正反方向运行）。　

１．３．２工况２空气制动装置　

空气制动装置一般为踏面制动、轴盘式制动、轮盘　

式制动。模拟制动装置作用在构架上的力，试验使用的　载荷为常用制动的最大值（轴重最大黏着力时）。　

（１）对于踏面制动（见图６）要模拟制动力（正压力、　

摩擦力）对制动单元安装座产生的作用力和弯矩，其每　

一闸瓦制动力（摩擦力）的计算方法为：　

一　ｇ　

式中Ｆ　为闸瓦摩擦力，Ｎ；Ｐ　为轴重，ｋｇ；　为最大　

黏着系数（一般０．３３—０．３６）；ｇ为重力加速度，取９．８１　

ｍ／ｓ。；　为每轴制动单元数。　

正压力认为是Ｐ　ｇ／ｎ。（这时认为闸瓦与车轮的摩　

擦系数为　）。　

一一　

图６踏面式制动　

（２）对于轴盘式制动、轮盘式（见图７）制动的作用　

力只是闸片吊座上下力（每一闸片摩擦力）计算方法为：　

一号・警ｇ　

式中　Ｆ　为构架制动载荷，Ｎ；Ｒ为车轮滚动圆半径，　

ｍｍ；Ｌ　为轴心到制动闸片水平距离，ｍｍ。　

图７轮辐盘式制动　

１．４　静强度试验应力的采集及计算方法　采用应变计以电测方法，按上述各工况加载力值对　

转向架构架加载，测出静态下各应变计的应变，采用以　下公式计算各测点应力。　

单向应变计应力：　一　直角三向应变计按照下式的方法计算出每个测点　的最大应力（　）和最小主应力（　ｚ）：　

（Ｙ１，２一　［　±　・　研］

　铁道机车车辆　第３Ｏ卷　

式中　为应力，ＭＰａ；￡、￡　（ｉ一１、２、３）为应变，　￡；Ｅ　为材料的弹性模量；ｕ为材料的泊松比（钢材一般取值　

０．３）。　按照铁标２．２的要求，两向或三向状态测点的应力　

合成为Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ应力（第四强度理论），其计算公式　如下：　

Ｏ＇Ｖｏｎｒａｉｓｅｓ一√专［（　一Ｇ２）　＋（　。一口ｓ）。＋（　。一　）　］　

式中：　一０。　

单向应变计应力值直接用来评定，而两向或三向应　变计需把应力合成为Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ应力来评定转向架构　架的静强度状态。　２疲劳试验　２．１　疲劳试验载荷的计算　疲劳试验的垂向载荷（构架每侧）由静态、准静态和　动态３部分组成。横向载荷由准静态部分、动态部分２　部分组成。铁标中附录Ｂ分别给出了各自的曲线谱，　但实际应用起来很不方便，不容易理解，根据标准附录　Ｃ中要求的试验３个阶段，由铁标公式８～１２将各阶段　加载荷的合成峰谷值计算如下：　第１阶段施加垂向载荷中静态、准静态和动态载　荷的合成载荷：　峰值为：Ａ一（１＋口＋　）Ｆ　；　ｃ一（１一口＋　）Ｆ　。　谷值为：Ｂ一（１＋ｄ－ｐ）Ｆ　；Ｄ一（１一ａ一　）Ｆ。。　施加横向载荷准静态和动态合成载荷：　峰值：Ｅ一０．５（Ｆ　＋０．５ｍ—ｇ）。　谷值：Ｆ一０．５（Ｆ　＋０．５ｍ。。ｇ）。　同理　第２阶段施加垂向合成载荷：　峰值：Ａ一［１＋１．２（ａ＋　）］Ｆ　；　Ｃ－二［１一１．２（口－ｐ）］Ｆ　。　谷值：Ｂ—Ｅ１＋１．２（ｄ－ｐ）］Ｆ　；　Ｄ：［１一１．２（　＋　）］Ｆ　。　施加横向合成载荷：　峰值：Ｅ　０．６（Ｆ　＋０．５ｍ。。ｇ）；　谷值：Ｆ一一０．６（Ｆ。＋０．５ｍ。。ｇ）。　第３阶段施加垂向合成载荷：　峰值：Ａ一［１＋１．４（ｄ＋　）］Ｆ　；　Ｃ一［１—１．４（口一　）］Ｆ　。　谷值：Ｂ一［１＋１．４（ａ－ｐ）］Ｆ　；　Ｄ一［１—１．４（ａ＋　）］Ｆ　。　施加横向合成载荷：　峰值：Ｅ一０．７（Ｆ　＋０．５ｍ　ｇ）；　

谷值：Ｆ一一０．７（Ｆ　十０．５ｍ　ｇ）。　式中　。。为转向架质量，ｔ；　为由车体侧滚引起的垂向　力动态变化（见铁标４．２规定，一般为０．１）；　为由车体　垂向运动（浮沉）引起的垂向力动态变化（见铁标４．２规　定，一般为０．２）。　２．２　疲劳试验各阶段工况及判定　疲劳试验采用多通道协调加载试验系统以协调加　载的形式实现，将上节计算值制成加载谱见图８。其加　载的频率铁标为２　７　Ｈｚ，一般为５　Ｈｚ。在每一段对应　于左曲线或右曲线的准静态载荷范围内，垂向和横向动　载荷的循环次数一般为２Ｏ次，图８为循环次数一般为　２Ｏ次的状态，Ｆ　曲线为右侧加载谱，Ｆ　曲线为左侧加　载谱　曲线为横向加载谱。如果转向架运用于曲线　比较多的线路，动载荷的循环次数要减少到１０次，如果　曲线数量特别多，动载荷的循环次数还要进一步的减　少。垂向力和横向力动态分量的频率和相位都相同。　试验载荷应包含同样数量的模拟左曲线段和模拟右曲　线段。疲劳试验各阶段工况总结见表３。　

／　／　｝　艋＆躲　ｌＲ　躲躲　ＲＡ船　Ａ＾船ＡＲ＾Ｒ船Ａ　１柚帕删ｍ口由埘删瑚崩删………ｉ…………………　ＪＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＶＷＶ１　如　删　

ｆ　ｆ　

图８疲劳试验载荷谱　

表３疲劳试验各阶段工况　Ａ　Ｃ　

注：载荷峰谷值在试验的１．２，３阶段其取值是不同的。　

当模拟主要运营载荷静强度试验（１ｏ一１３工况）表　明线路扭曲只在构架有限区域上引起应力，而这些区域　

由垂向和横向力所造成的应力比较小，疲劳试验可不考　虑５‰扭曲影响，否则应考虑在侧梁１或侧梁２前端的　

垫高、降低量。可通过加垫、撤垫或用作动器来实现。　虽然铁标无提出对牵引电机安装座和齿轮箱吊座的疲　

劳试验要求，对动车组动力转向架构架来说是必要的，　尽管空间小，安装作动器很不方便。可以在进行完垂向　

和横向１Ｏ　次疲劳试验后针对牵引电机安装座和齿轮　

箱吊座进行２×１０　疲劳试验，以全面考核动车组动力　转向架构架的疲劳性能。