动车组撒沙系统振动和疲劳性能研究

付兴金，周洋

摘要：本文通过在线测试的方式验证动车组加装撒沙系统是否会对动车组造成疲劳损伤以及撒沙系统本身是否有安全运营风险，并测试了振动和动应力两种参数。通过数据分析结果来看，车辆运营250km/h速度级时，振动量级会有一定大幅度的降低；动应力满足疲劳寿命2000万公里的要求。满足安全运营的技术要求

关键词：动车组；撒沙系统；加速度；动应力

动车组以其安全快速等的特点已经逐渐被人们接受，根据动车组日常运营以及适应各种环境和天气等安全运营的需要，需加装撒沙系统，为安装撒沙管路及喷嘴，对原排障器支架结构进行了更造。为验证更造后结构的振动和强度，需对扫石器及转向架构架的加速度及动应力进行在线测试，以确保新结构满足要求。因此，在测试车辆的轴箱、转向架构架和扫石器上布置加速度传感器和应变片分别测量其振动和动应力，以评估结构的动态特性以及在整个运行过程中结构强度，从而掌握撒沙装置的运行状况是非常重要的。

1. 引言

撒沙装置（图1）安装在转向架的端头，向动轮和钢轨建撒微小的颗粒的干砂来增大摩擦力。主要为了增加动车组在恶劣天气（如雨和雪）轮轨之间的粘着系数，作为悬臂机构，需要承载来自轨道的载荷，其振动特性及疲劳强度会影响该结构的安全。传统的分析方法是在实验室进行静力学分析，算出主要应力分布。但是该结构主要运行在动车组的运营过程中，在其运行过程要承载宽频带的随机振动，在疲劳寿命分析时要考虑其动力学性能。因此，撒沙装置需要进行随机振动响应和动态疲劳强度分析两个方面入手。

国外通过研究分析垂向振动和横向振动耦合作用下转向架的振动特性，揭示了外部载荷激励下转向架与车体之间相互作用力的影响规律。在时域内对构架进行随机振动疲劳寿命分析，通过瞬态动力学分析得到相应位置的应力时间历程，运用雨流计数进行疲劳寿命估算。

图1

2. 试验方法

加速度传感器共布置9个测点，其中轴箱1个、构架3个、安装块4个、撒沙臂1个。选用压电式加速度传感器SiLicon-2460，轴箱测点的量程为+/-100g，采样频率为5000Hz，其余测点的量程为+/-50g，采样频率2000Hz。应变片共布置13个，其中安装块上10个、扫石器上布置1个，撒沙臂上布置 1个。应变片选用中航电测的BA 120-5AA(11)-P100型箔式单向应变片。标准电阻120，灵敏系数2±1%。采样频率2000Hz。

对加速度的时域信号进行200Hz低通滤波，统计RMS有效值来说明，这里选择比较有特征的X方向。轴箱上的加速度值较大，这主要是来自轨道的较强激励。来自轨道的激励经过一系钢簧减振以后，转向架构架上的振动有较明显的降低，位于构架上的安装块具有同量级的振动加速度值，反而扫石器上的振动经过自身结构的方法，振动幅度有显著增加。为研究测点的幅频特性，截取200km/h恒速段，并进行快速傅里叶变换（FFT），将数据由时域转换到频率。

对于各测点的动应力进行数据处理，去除异常点，并对数据进行200Hz低通滤波，然后对时域数据进行雨流计数，雨流矩阵为100×100的方阵，并进行疲劳强度评估，评估方法按照DVS1612进行。

3. 试验结果

图2为试验测试结果。安装块与扫石器振动的比较结果，扫石器的振动加速度在72Hz附近相对于安装块的振动有较明显的放大，其原因激励在70Hz左右有一定的分量，该频率为转向架齿轮箱的工作频率，而扫石器的固有频率为72Hz。由于激励频率和结构的固有频率接近产生共振，振动加速度有了明显的提高，从幅频特性图上看该频段振动放大4-5倍。

动应力结果可以看出，各测点的应力水平较低，结构的应力值均小于其对应的疲劳强度极限，在此应力作用下满足车辆运行2000万公里(25年)的疲劳强度要求，满足疲劳强度的要求。该扫石器结构(含撒沙系统)及其构架安装块的焊缝和母材是安全的，无需进行结构优化的必要性和迫切性。

图2

4. 结束语

动车组由于目前车辆的运行速度为200km/h，当按设计运行速度250km/h运行时，转向架齿轮箱的工作频率将由70Hz提高到88Hz，此时激励频率与固有频率之间将会有较大的间距，扫石器上的振动量级将会出现一定幅度的降低。

因此，动车组所加装的撒沙系统满足动车组安全运营的要求，提高列车的运行安全性能。