摘要:為研究地鐵車頂吊掛元件所用連接件的連接參數和疲勞特性，設計一套地鐵車輛車頂吊掛元件動態試驗工裝。工裝固定在振動試驗臺上，模擬地鐵車輛車頂局部吊掛梁的安裝結構，測試車頂吊掛梁連接件在模擬振動環境下的連接參數，為地鐵車輛常用緊固件連接參數的選定提供依據。為驗證工裝的力學特性是否滿足試驗要求，利用有限元軟件校核工裝強度，并在其頻域內進行隨機振動疲勞分析，計算結果表明工裝的靜強度和疲勞壽命均滿足試驗要求。

　　關鍵詞:地鐵車輛;車頂吊掛;試驗工裝設計;力學特性;疲勞

　　隨著地鐵車輛運營速度和載重量的不斷提高，車輛關鍵部位連接結構的服役性能已成為影響地鐵車輛運行安全的關鍵性問題之一。車頂是軌道車輛車體結構的四大部件之一，既要承受車輛運行時受到的縱向力和沖擊力，又要承受車頂空調風道、照明設備、立柱和扶手等吊掛設備所產生的垂向載荷。因此，車頂骨架和車頂內裝的制造精度、兩者之間連接部分的裝配質量和激勵水平都直接關系到車體的結構強度。

　　目前，對地鐵車輛車頂吊掛梁連接件連接狀態的研究較少。劉艷等[1]分析吊掛元件的墊片材質、尺寸等變量單獨作用和聯合作用對地鐵車輛上常用螺紋連接件預緊力衰減的影響程度。溫楠[2]分析認為，伴隨預緊力衰減，螺栓形狀有不同程度的改變，給出預緊力的控制措施和螺紋連接件防松的理論方法。基于這些理論研究，需要在振動試驗臺上模擬車頂吊掛梁的局部安裝結構，進行連接件的連接參數和疲勞特性試驗，將試驗結果與仿真分析結果進行對比，才能驗證理論分析的正確性，并綜合評價連接件的連接狀態和防松效果。[3]

　　因而，模擬車頂吊掛設備安裝結構的振動測試裝置必不可少。針對地鐵車輛車頂吊掛梁上大量應用的T型螺栓，設計一套地鐵車頂吊掛元件動態試驗工裝，模擬車頂吊掛結構連接狀態，并利用有限元軟件校核工裝強度，進行疲勞壽命分析，驗證工裝力學特性滿足試驗要求，證明該車頂吊掛試驗工裝設計滿足地鐵車頂吊掛緊固件結構優化設計測試要求。

　　1工裝結構設計

　　1.1設計要求

　　工裝結構設計的目的是:用扭矩扳手將T型槽用帶有傳感器的GB/T37—1988M8螺栓安裝在相應的試驗設備上;對螺栓施加實測得到的振動激勵信號，通過傳感器及其測試系統對連接件進行預緊力變化數據的采集;將試驗結果與仿真結果進行對比，綜合評價螺栓結構的連接狀態。[4]因此，試驗工裝結構設計要求如下:

　　(1)結構設計合理。車頂邊梁與內裝框架之間由左右對稱的多個吊掛件連接，試驗工裝僅模擬其中一對吊掛件。工裝外框架底面應與振動試驗臺有足夠大的安裝面，以準確傳遞振動臺產生的加速度激勵。內框架(配重框)底面應有足夠的面積放置模擬車頂吊掛設備質量的鐵塊。設計應充分利用對稱性，提高振動加速度傳遞的可靠性。

　　(2)具有較高的強度和剛度。在進行靜載荷試驗和動載荷試驗時，工裝任意時刻、任意一點處的應力大小均不能超過材質的屈服極限。在進行動態試驗時，工裝結構不應該出現較大的變形，即工裝要有較大的動剛度，才能將振動臺所施加的振動激勵準確傳遞至被測螺栓上。

　　1.2工裝三維模型

　　依據測試要求，工裝由框架與配重組成，框架和配重通過連接件、角鐵和T型槽等零部件連接。T型槽用GB/T37—1988M8螺栓在該工裝上安裝，工裝外框架尺寸為820mm×720mm×800mm，由多個不同尺寸的方形管焊接成長方形結構，底面尺寸根據振動試驗臺安裝面設計，高度設計考慮振動時內框架部分不與外框架發生干涉。方管壁厚為3mm，節省材料的同時保證工裝框架具有一定強度。

　　內框架尺寸為310mm×210mm×405mm，由多個角鐵焊接成長方形結構，內部放置質量塊模擬配重。角鐵(780mm×50mm×4mm)和T型槽部分模擬車頂邊梁，T型槽和角鐵通過M10的普通六角頭螺栓與外框架相連。吊掛件為薄壁結構，壁厚約為5mm。吊掛件與T型槽、吊掛件與內框架之間用T型試驗螺栓連接。

　　工裝設計采用具有良好可塑性和可焊接性的Q345b低碳合金鋼，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，材料密度為7.85×10-3g/mm3，屈服極限為345MPa。

　　2強度計算與校核

　　地鐵車頂吊掛設備的質量和隨機振動環境是影響工裝承載品質的關鍵因素，因此先進行工裝靜強度校核計算，并結合有限元與疲勞壽命分析進一步在頻域內進行隨機振動疲勞壽命分析[5]。

　　2.1有限元建模

　　為三維實體部件劃分網格時，六面體單元網格HEX可以以較小的計算代價獲得較高的計算精度。

　　2.2強度分析與校核

　　進行靜載荷強度工況計算。地鐵車輛車頂1對吊掛件所承載的設備質量約為140kg，采用附加質量塊模擬車頂吊掛設備質量。工裝底面用螺紋連接的方式固定在振動模擬試驗臺上，靜載荷工況下約束工裝底面全部自由度。對整個模型定義y軸負方向的重力場。最大等效應力值約為36MPa。材料的屈服極限為345MPa，取安全因數n為1.15[7]，則材料的許用應力為300MPa，遠大于工裝危險點處的等效應力值，因此本文設計的工裝靜強度滿足試驗要求。

　　3隨機振動疲勞分析

　　根據試驗要求，工裝完成一次全面的動態試驗需要反復施加地鐵車頂吊掛梁上實測所得的振動激勵(約40s)[4]，同時還需要滿足長久使用的要求，故對工裝的疲勞壽命進行計算分析。根據疲勞設計的有限壽命設計方法[8]，只要保證工裝在規定的使用期限內能安全使用，即為滿足設計要求。在滿足結構疲勞壽命要求的前提下，不要求其無限次循環使用，因此允許工裝的工作應力超過其疲勞極限，以充分利用材料的承載潛力、減輕自重、降低能耗。基于此，對本文設計的工裝結構進行隨機振動疲勞分析。

　　3.1基本原理

　　將實測的加速度時域信號進行傅里葉變換，計算得到加速度功率譜密度(powerspectraldensity，PSD)，再分析在給定加速度PSD激勵下工裝的動態應力響應，然后根據材料的疲勞特性曲線和Miner線性疲勞損傷準則估算模型的疲勞壽命及分布。

　　4結束語

　　(1)為檢測地鐵車輛車頂吊掛元件所用連接件預緊力衰減等連接參數是否合格，分析其疲勞特性，設計一套地鐵車輛車頂吊掛元件動態試驗工裝。該工裝結構與實際地鐵車輛車頂局部吊掛梁結構相同。振動臺施加的加速度激勵傳遞給工裝上的待測緊固件，待測緊固件在工裝上的安裝位置與實際車頂上的安裝位置一致，模擬緊固件連接性能的振動試驗安裝工況。

　　(2)為驗證工裝的力學特性是否滿足試驗要求，利用有限元分析軟件進行強度計算，校核工裝靜強度，并對工裝進行隨機振動應力與疲勞壽命分析，結果表明工裝的靜強度和疲勞壽命均滿足要求。

　　(3)該工裝結構可進行地鐵車輛車頂吊掛梁連接件預緊力衰減等連接參數試驗，從而優化參數，提高地鐵車輛螺紋緊固件的使用壽命并減少事故率，具有較高的應用價值，可為地鐵車輛常用緊固件連接參數的選定提供依據。

　　參考文獻:

　　[1]劉艷，陳飛，王未，等.基于軌道交通系統典型緊固件的預緊力研究[J].機車車輛工藝，2014(3):4-6.DOI:10.14032/j.issn.1007-6034.2014.03.007.

　　[2]溫楠.螺紋緊固件預緊力松弛問題芻議[J].航天標準化，2015(2):12-15.

　　[3]程亞軍，高陽，劉洪濤，等.地鐵客車底架局部吊裝仿真分析與疲勞試驗[J].鐵道技術監督，2012，40(10):31-34.

　　[4]陳曉東.緊固件橫向振動試驗臺的研究與設計[D].武漢:武漢理工大學，2015.

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