面向多因素的快速地铁车辆一系钢圆弹簧疲劳断裂机理与可靠性增长研究

As urban subway transportation is extending towards suburb in metropolis like Beijing, Shanghai and Guangzhou，120 kilometer/hour subway system has been built and run in these cities in recent years. Because frequent start and stop, multiple curves, polygonal wear and super axle load in subway system, severe crack of the primary suspension steel string of the train bogie emerged, resulting in potential safety hazard and low efficiency and high cost. Aiming at this problem, the generation and changing mechanism of the fatigue crack, fatigue life and reliability growth theory of the primary suspension steel string will be investigated systematically, by analyzing the steel spring structure, material performance, fabrication process and the complexity and stochastic nature of the load, using subway train dynamics and fatigue crack reliability theory. Firstly, by analyzing the vibration load spectrum, material metallographic and mechanical performance test and analysis, stress theoretical analysis and computer simulation, the fatigue crack generation and changing mechanism will be revealed. Then, by establishing the fatigue crack life and reliability model, the reliability and parameter reliability sensitivity and importance of the spring will be analyzed. Finally, reliability and optimization design of the steel spring will be proposed, in order to provide important theoretical and technique support to avoid fatigue crack and realize life and reliability growth for the steel spring.

随着特大城市轨道交通向郊区延伸，北京、上海、广州等城市建造了120公里/小时快速地铁系统。由于快速地铁列车存在加减速度大、频繁启制动、弯道多、多边形磨耗、超轴重等问题，运行车辆出现了严重的一系钢圆弹簧疲劳断裂问题。为此，本课题拟充分计及钢圆弹簧结构、材料、工艺以及载荷的复杂性和随机性本质，并采用地铁车辆系统动力学、疲劳断裂可靠性理论，系统地对一系钢圆弹簧疲劳断裂的萌生、演变机理及其寿命与可靠性增长理论展开深入研究，主要内容包括：（1）通过对一系钢圆弹簧开展振动载荷谱分析、材料力学性能试验及分析、弹簧受力仿真分析，以揭示其疲劳断裂现象的产生、演变机理；（2）建立一系钢圆弹簧的疲劳断裂寿命与可靠性模型，分析一系钢圆弹簧的可靠度、参数灵敏度与重要度；（3）提出更有效的一系钢圆弹簧的可靠性设计和优化技术，最终为快速地铁车辆一系钢圆弹簧避免“疲劳频断”和实现寿命与可靠性增长提供重要的理论和技术。

本研究针对快速地铁车辆一系钢圆弹簧断裂问题，从广州地铁集团和株洲电力机车有限公司获得广州地铁三号线转向架的图纸详细参数，并且获得了广州地铁三号线的轨道路谱数据，通过硕士研究生王向阳的硕士论文“快速地铁车辆一系钢圆弹簧动力学分析”，采用多体动力学仿真软件SIMPACK建立了快速地铁车辆的动力学模型；并根据GB5599-85中的相关规定对快速地铁车辆的动力学性能进行了分析，并获得了一系钢圆弹簧垂向振动位移、横向振动位移、纵向振动位移数据，为后续弹簧应力谱和疲劳寿命计算提供了基础数据。.通过从贵阳弹簧制造有限公司调拨51CrV4弹簧钢抗拉、抗扭试样棒料各50根，联系安排好实验公司进行棒料加工、热处理和实验，获得了试样抗拉强度、抗扭强度力学性能数据。.通过硕士研究生张松兴的硕士论文“基于ANSYS/FE-SAFE的快速地铁车辆一系钢圆弹簧疲劳寿命分析”，建立了一系钢圆弹簧的有限元分析模型，进行了受力状况分析和有限元分析，完成了一系钢圆弹簧疲劳失效机理分析，根据广州地铁3号线实测轨道谱数据分析得到了一系钢圆弹簧八级振动载荷谱，基于疲劳寿命仿真软件FE-SAFE软件进行了一系钢圆弹簧疲劳寿命分析。.通过硕士研究生邓雪江的硕士论文“面向多因素的快速地铁车辆一系钢圆弹簧疲劳可靠性研究”完成了一系钢圆弹簧疲劳疲劳可靠度计算极限状态方程建立、疲劳可靠性计算模型的建立、疲劳可靠度计算，进行了疲劳可靠性分析。.通过硕士研究生冯后东的硕士论文“地铁车辆一系钢弹簧疲劳可靠性及优化设计”完成了一系钢圆弹簧疲劳可靠性灵敏度技术，找出了影响弹簧产生疲劳断裂的主要原因，实现了关键参数的可靠性优化设计。最终为快速地铁车辆一系钢圆弹簧避免“疲劳频断”和实现寿命与可靠性增长提供了重要的理论和技术支持，可为地铁车辆制造企业和运维企业提供参考。.综上所述，本研究较好的完成了课题研究目标，实现了预定研究任务。