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鐵道車輛制動系統(tǒng)產品結構安全的分析方法

文檔作者：韓朝霞李邦國楊偉君張洋文檔來源：北京縱橫機電技術開發(fā)公司		點擊數：	更新時間： 2020年12月03日
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文章編號：１ ００８－７８４２ （２ ０ １ ７）０６ －００６ ５ －０５
鐵道車輛制動系統(tǒng)產品結構安全的分析方法
韓朝霞，李邦國，楊偉君，張 洋
（北京縱橫機電技術開發(fā)公司，北京１ ０００９４）
摘 要 制動系統(tǒng)部件的結構安全性不僅直接影響到制動系統(tǒng)的功能，也關系到整車運行的安全性。針對制動系
統(tǒng)中關鍵承載結構件，對其結構安全性進行分析，提出結構件的分析方法以及提高結構安全的措施。
關鍵詞 制動系統(tǒng)部件；結構安全；振動特性；結構響應
中圖分類號：Ｕ２ ７０．３ ５ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３ ９ ６ ９／ｊ ．ｉｓｓｎ．１ ００８－７８４２ ．２０ １ ７ ．０ ６ ．１ ５
鐵道車輛制動系統(tǒng)對列車運行安全起著至關重要
的作用。制動系統(tǒng)集成了制動模塊、風源裝置以及基礎
制動裝置等部件。隨著列車速度的提升以及我國鐵路
運營環(huán)境的變化，運行里程的累積，運行工況變得越來
越復雜。保證制動系統(tǒng)的結構安全除了滿足相關設計
標準之外，還需要根據試驗記錄、服役情況、現場問題來
進行綜合分析。
筆者以制動系統(tǒng)中關鍵承載結構件為例，提出結構
件的分析方法及提高結構安全的措施。
1 制動系統(tǒng)關鍵承載結構件的結構安全影響因素
制動系統(tǒng)結構設計［１ ］實際上就是把制動模塊、風源
裝置、基礎制動裝置以及閥類產品通過管道連接并進行
合理布置和安裝的過程。制動系統(tǒng)結構安全的影響因
素較多，主要包括安裝位置、懸掛方式、防護措施、結構
布局、線路載荷等外部因素以及結構固有頻率、應力集
中和結構件焊縫質量和表面質量等內部因素。
1 ．1 外部因素
（１
）安裝位置
對于車下安裝的設備，完全依附于車體結構，且相
互約束和影響。對車輛而言，車輛端部和車輛中部的差
異很大。如果安裝在車輛中間位置，垂向載荷會比安裝
在列車端部時大很多。這與列車運行時的狀態(tài)有很大
關系，此處不作詳細討論。
（２
）懸掛方式
車下安裝的設備多半通過螺栓與車體相連。為減
小底架結構的復雜性與底架組裝時的難度，制動系統(tǒng)的
主要模塊一般都集成在焊接框架上或者箱體里。此時，
該焊接框架或箱體安裝在車體上的方式既會影響該模
塊的安全性也影響到車體底架的安全。
一般情況下，小型框架選擇四角安裝就能達到強度
以及剛度要求。但是若該模塊集成復雜，結構長大，或
者是橫跨車輛安裝，如果約束不合理，可能不足以滿足
最低頻率的要求。圖１ 是以同一個結構，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ ４
種懸掛方式安裝的頻率計算對比分析。
從表１ 的數據分析可知，不同懸掛方式對結構件的
約束模態(tài)有很大影響。Ｂ、Ｃ、Ｄ ３ 種約束方式顯然比Ａ
種約束方式要合理，低階頻率提高很多。
圖1 部件結構懸掛方式
（紅色標記處為懸掛位置）
韓朝霞（１ ９ ９０—）女，工程師（修回日期：２ ０ １ ７ －０８－１ １ ）
第３ ７ 卷第６ 期
２０ １ ７ 年１ ２ 月
鐵道機車車輛
ＲＡＩＬＷＡＹ ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖｏｌ．３ ７ Ｎｏ．６
Ｄｅｃ． ２０ １ ７
萬方數據
表1 不同懸掛方式下的約束模態(tài)Hz
剛度Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
１ 階頻率４８．２ ６ ５ ．５ ６ ５ ．５ ６ ５ ．８
２ 階頻率６ ５ ．２ ７４．５ ８３ ．６ ９４．０
３ 階頻率７ ９ ．８ ８ ５ ．６ ９４．２ ９ ６ ．２
４ 階頻率８ ７ ．１ ９ ６ ．７ １ ０ ５ ．２ １ １ ２ ．６
５ 階頻率９ ６ ．６ ９ ８．７ １ １ ０．２ １ １ ５ ．６
６ 階頻率１ ０２ ．３ １ １ ０．４ １ ２ ５ ．９ １ ５ ８．０
（３
）防護措施
由于制動系統(tǒng)的結構件大部分安裝于車體底架，因
此，要保證列車運行安全，對其進行必要的防護以提高
抗偶然事件的能力十分必要。
集成焊接框架或者箱體結構通過螺栓連接在車體
底架上。由于焊接件的強度受焊縫質量影響較大，很多
子結構也采用螺栓形式連接在焊接框架上。因此對于
螺栓連接件，螺栓的防松保護措施顯得尤為重要。目前
可以較好應用在制動系統(tǒng)結構件上的防松保護措施有
定期檢查防松線、設計防松插銷以及采用高強度螺栓以
增加螺紋間或螺絲螺母端面的摩擦力或同時增加兩者
摩擦力的方法。
對于箱體結構，箱體開關門的防脫落設計也是需要
考慮的重要內容。對于子部件風缸，通過綁帶和底座螺
栓連接在焊接框架上，并且該種框架以開放式懸掛在車
體底架。目前線路上雖沒有發(fā)生風缸綁帶斷裂的問題，
但是試驗室疲勞試驗已經出現過此種失效模式，具有一
定的潛在風險。因此設計出一套完善的風缸防護措施
很有必要。
（４
）結構布局
對制動系統(tǒng)而言，盡量將連接各模塊的管道貼近車
體底架位置安裝。對于不能貼近車體底架或者焊接框
架的管道，需要校核與管道連接處的結構剛度，保證管
道在運行過程中不發(fā)生嚴重的變形或者剪切，否則會對
行車安全構成重要隱患。制動系統(tǒng)的各功能模塊，由于
質量不同，功能各異，需要合理安排其位置，在保證功能
的前提下盡量將功能模塊的質量平均分布在集成框架
或者箱體上。否則就會造成如圖２ 所示的情況，不僅安
裝孔附近受力不均，而且在運動狀態(tài)時，承擔較大質量
位置附近的焊縫應力也會偏高，影響結構的安全余量。
（５
）外部載荷
我國鐵路橫跨東西，貫通南北。不同的地理條件決
定了不同線路的載荷特性也不相同，包含載荷幅值以及
頻次。隨著鐵路使用年限以及車輛運用年限的增加，線
路載荷情況變得愈加惡劣，車輛結構本身的載荷傳遞特
性也變得更加復雜。按照歐洲標準設計計算的車輛制
動系統(tǒng)結構，設計時一般根據結構件的材料性能以耐久
極限方法進行疲勞強度的計算驗證。隨著時間的累積，
載荷輸入發(fā)生了變化。當實際運用中疲勞載荷作用下
的應力超出耐久極限，需要改用累積損傷方法進行疲勞
強度的驗證。此時就需要評估實際的載荷循環(huán)以及該
載荷循環(huán)產生的結構損傷。再根據Ｗöｈｌｅｒ 曲線，依照
一個確定的損傷累計假設（例Ｐａｌｍｇｒｅｎ-Ｍｉｎｅｒ）確定總
的損傷。因此，目前迫切需要統(tǒng)計出我國各大干線鐵路
以及城軌、地鐵、輕軌等軌道車輛在不同時期的載荷情
況，編制成符合中國標準的載荷譜，以供中國鐵路車輛
的設計制造使用。
圖2 不合理結構布局的應力分布
1 ．2 內部因素
（１
）焊縫缺陷
存在焊縫缺陷的接頭疲勞強度會有不同程度的降
低。因此在設計制造過程中，首先需要對產品進行焊縫
的無損探傷，確認結構件焊縫滿足焊接質量要求。在實
際產品有潛在損壞風險時，檢查結構是否存在表２ 所示
焊縫缺陷。若有，則進行相應的焊縫缺陷評估，提前發(fā)
現可能出現的問題，保證結構安全。
表2 焊縫缺陷分類
缺陷效應缺陷類型
增加總應力水平錯位
局部缺口效應
焊縫形狀缺陷，咬邊
遠離表面的氣孔和夾雜
裂紋狀缺陷
裂紋，未熔合和未焊透，此處
未給出的所有缺陷
６ ６ 鐵 道 機 車 車 輛 第 ３７ 卷
萬方數據
（２
）應力集中
對于結構件的安全而言，應力集中一直是一個不容
忽視的影響因素。在結構件的截面形狀和尺寸的突變
處，局部應力遠遠大于按一般理論公式計算的數值。應
力集中的存在不僅有利于形成初始的疲勞裂紋［２］，而且
會促進裂紋的擴展，從而影響結構件的疲勞壽命。因
此，在設計承載結構件時，需要盡量避免結構應力集中。
設置或增大截面突變處的過渡圓角，可以很好的緩和應
力集中現象，提高構件的疲勞強度。圖３ 是有結構應力
集中和進行圓角過渡的結構局部應力對比。
圖3 應力集中示意圖
（３
）表面質量
在應力非均勻分布時，比如彎曲或扭轉載荷作用
下，零件表層應力最大。對于幾何形狀有突變的拉壓構
件，表層也會出現較大的峰值應力，因此表面加工質量
直接影響結構件的裂紋形成和擴展。采用機械的或化
學的方法對結構件表面進行強化處理，改善表面層的質
量，可以顯著提高結構件的疲勞強度。
2 設計階段的安全評估方法
制動系統(tǒng)中大型關鍵承載結構件主要包含風源裝
置、制動模塊、基礎制動裝置，這些結構的安全評估關系
到整車運行的安全性。
一般情況下，設計具有承載功能的結構件需要進行
靜強度、疲勞強度以及剛度的計算驗證［３］。對于制動系
統(tǒng)的結構件，靜強度和疲勞強度按照相關設計標準規(guī)定
來驗算。剛度則通過相應載荷下的位移或者最低頻率
來驗證。但是對于相應載荷下的位移或者最低頻率并
沒有確切的標準規(guī)范。
此處以某制動模塊產品為對象研究結構安全的評
估方法。依據相關標準，進行強度和剛度的驗算。針對
制動系統(tǒng)的結構，我們設計計算時應綜合考慮頻率對結
構強度的影響，綜合考慮輸入載荷的幅值及方向，進行
與頻率相關的響應分析，對結構的動態(tài)特性進行安全評
估，判斷結構的安全性是否符合要求。
2．1 強度和剛度計算
制動模塊進行常規(guī)強度和剛度計算，結果表明強度
符合標準規(guī)定的安全系數。計算模態(tài)如表３ 所示。若
把該模塊通過螺栓連接的各子部件作為外載荷計算，則
模態(tài)計算結果如表３ 中Ａ 列所示。由該表可知該結構
件的最低頻率為３ ６ ．９ Ｈｚ，已經避開運用車體的固有頻
率范圍。但是若把整個模塊的各子部件的結構對模塊
框架的影響也計入其中，則模態(tài)分析結果如表３Ｂ 列所
示?？梢钥闯隹蚣苌霞傻母髯硬考蚣鼙旧淼妮d
荷傳遞特性影響很大。因此在評估結構件的安全性時，
結構的簡化需要特別注意。
表3 模態(tài)計算結果Hz
階數Ａ 固有頻率Ｂ 固有頻率
１ 階３ ６ ．９ ２ ２ ．１
２ 階４０．７ ２ ８．８
３ 階５ ６ ．４ ３ １ ．１
４ 階７ ９ ．９ ３４．１
５ 階８ ５ ．６ ３４．７
６ 階９ １ ．８ ３４．８
７ 階／ ３ ７ ．５
８ 階／ ３ ８．０
９ 階／ ４２ ．９
１ ０ 階／ ４６ ．９
2．2 振動特性分析
根據以上計算結果，可得到該制動模塊在滿載時前
第 ６ 期 鐵道車輛制動系統(tǒng)產品結構安全的分析方法 ６７
萬方數據
兩階固有頻率分別為２２ ．１ Ｈｚ 和２８．８ Ｈｚ，進一步研究
其振動特性，結果如圖４ 所示。
圖４ 原結構振動特性
前兩階振幅最大位置均包含側梁截面突變處，可判
定該位置為疲勞薄弱部位之一。結合強度計算結果，發(fā)
現在垂向靜載荷作用下，該位置（見圖５ ）的應力偏大，
但在安全系數范圍內。
圖５ 靜強度較大位置示意圖
為保證動態(tài)特性滿足要求，對該截面突變做結構優(yōu)
化，使其平滑過渡。優(yōu)化結構如圖６ 所示。
圖６ 局部優(yōu)化結構示意圖
優(yōu)化后的制動模塊振動特性如圖７ 所示，從圖７ 中
可知振幅最大位置已經避開原結構的疲勞薄弱部位。
圖７ 優(yōu)化結構振動特性
2．3 諧響應分析
在振動特性分析結果的基礎上，對比分析該結構優(yōu)
化前后的諧響應特性，且對原結構分別進行３ 個方向載
荷的諧響應分析驗證不同方向載荷的影響因子。
（１
）結構優(yōu)化前后諧響應分析對比
結合圖８ 和圖９ 諧響應分析的應力云圖，通過振動
特性判斷出疲勞薄弱部位，再對其進行結構優(yōu)化，將避
圖８ 1 階頻率垂向正弦載荷工況
原結構疲勞關注部位的應力
圖９ 1 階頻率垂向正弦載荷工況
優(yōu)化結構關注部位的應力
６ ８ 鐵 道 機 車 車 輛 第 ３７ 卷
萬方數據
開振動幅度最大點和強度安全系數較低點的重合作為
設計方向。
（２
）載荷方向對結構響應的影響
施加不同方向的載荷，分析結構的響應情況，見圖
１ ０～圖１ ２ 。
圖1０ 1 階頻率橫向正弦載荷
疲勞薄弱部位的應力云圖
圖1 1 1 階頻率垂向正弦載荷
疲勞薄弱部位的應力云圖
圖12 1 階頻率縱向正弦載荷
疲勞薄弱部位的應力云圖
根據不同方向載荷的諧響應分析，結合振動特性分
析結果，不同方向載荷對結構件的響應影響不同。若振
動特性顯示振動幅度最大方向為某一方向，則需重點關
注在該方向載荷作用下的響應。
3 結 論
以關鍵承載結構件制動模塊的結構安全分析為例，
提出制動系統(tǒng)結構安全的分析方法及提高結構安全的
措施。在設計初期，需要重點關注安裝位置和懸掛方
式，這兩點是中期計算的輸入條件，對計算結果有重要
影響。在中期計算時，結構的布局、焊縫類型以及應力
集中等關系到結構強度和剛度的因素需給予重點關注。
對結構件的安全性進行計算評估的方法，不應僅限于強
度、剛度的計算，還需要對結構件的振動特性以及響應
特性進行深入分析。結構件的振動特性顯示振動幅度
最大位置與強度安全系數較低位置重合時，需對結構做
優(yōu)化設計。計算的結果安全與否則與外部載荷有關。
了解制動系統(tǒng)投入運用的具體線路，可根據實際使用線
路的情況適當調整安全系數的大小。在制造階段，對結
構件表面進行強化處理，嚴格控制結構件的表面質量，
遵循高質量等級的焊縫標準是提高其抗疲勞性能的重
要措施。防護措施則是貫穿整個設計及運用階段，不同
功能部件的安全防護根據具體結構布局進行相應的調
整。
參考文獻
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學出版社，２
０ １ ０．
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國鐵道出版社，２
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［３
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００ ９ ．
Evaluation Method of Structural Safety for Brake System
Components of Railway Vehicle
HAN Ｚhaoxia ，LI Bang guo ，YANG Weij un ，Ｚ HANG Yang
（Ｂｅｉｊ ｉｎｇ Ｚｏｎｇｈｅｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏ-Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｂｅｉｊ ｉｎｇ １ ０００ ９４，Ｃｈｉｎａ）
Abstract：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｂｒａｋｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｆｆｅｃｔｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒａｋｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｄｉｒｅｃｔｌｙ，ｂｕｔ ａｌｓｏ
ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｓａｆｅｔｙ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｋｅｙ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｂｒａｋｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓａｆｅｔｙ ｉｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓａｆｅｔｙ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．
Key words：ｂｒａｋｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓａｆｅｔｙ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ
第 ６ 期 鐵道車輛制動系統(tǒng)產品結構安全的分析方法 ６９
萬方數據

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