动应力累计的损伤特性

齿轮箱箱体动应力测试方法：在箱体的4个位置粘贴纵向应变片，用以测量齿轮箱箱体在不同垂向载荷和不同运行速度工况下的应变，然后根据材料力学中应力-应变关系，算出各对应位置的动应力，对得到的动应力利用Ncode软件中自带的去均值模块完成去漂移处理、手动处理突变和毛刺信号及通过设置带阻滤波器过滤干扰频率3种操作，以获得比较准确的数据。

计算工况包括垂向载荷作动器工况及转向架轮对运行速度，具体如下：

（1）垂向载荷分别为100kN、180kN及230kN；

（2）9个速度等级：0～100km/h、100km/h、100-200km/h、200km/h、200～250km/h、250km/h、250～300km/h、300km/h及300～0km/h。

表4-7所示为齿轮箱箱体4个测点位置及其应变片的相关信息。

表4-7　齿轮箱箱体测点位置应变片信息

续表

其中齿轮箱箱体上的应变片采用BS_EN-1999-1-3[122]铸铝件母材的S-N曲线进行疲劳评估，根据该标准中附录1：Casting（s铸造），可知不同铸造等级铸铝件各循环次数下的疲劳应力许用范围（见表4-4）及铸件铸造等级的定义（见表4-5）。考虑齿轮箱箱体的铸造质量可保证最大气孔/砂眼尺寸为0.5mm，即其200万次疲劳极限取为25MPa。

大齿轮箱轴承正上方应变片的疲劳评估参考国际焊接学会IIW XIII-1965-03/XV-1127-03[128]的钢结构母材S-N曲线进行评定，钢结构母材S-N曲线的置信度为75%，存活率为95%，其疲劳特性如表4-6和图4-19（b）所示。

接下来以垂向载荷工况为230kN的齿轮箱箱体4个测点位置所测的应变时域信号，利用N-code软件中的Glyphworks模块对其进行雨流计数和累计损伤计算。

表4-8所示为230kN载荷工况下各测点的速度等级与测试时间关系。根据应力-应变转换原理，结合表4-7中应变片系数，将各测点应变片中的应变时域信号转化成图4-20～图4-23各测点动应力时域信号，从图可知动应力在110～230s动应力显著增大，这是由于台架试验在轮对运行速度达到100km/h时发生共振，但各测点动应力都较小，最大值出现在大齿轮箱轴承正上方，不超过15MPa，该处动应力大是因为轴承端盖的应力转换系数为0.412，是其他3个位置的3倍。

表4-8　230kN载荷工况下各测点速度等级与测试时间关系

图4-20　大齿轮箱齿面观察孔应力时域图

图4-21　大齿轮箱油位观察孔应力时域图

图4-22　小齿轮箱轴承正上方应力时域图

图4-23　大齿轮箱轴承正上方应力时域图

将动应力时域信号导入N-code软件对其进行雨流计数处理，计算应变片时域信号的应力范围和应力循环次数，根据以往线路测试经验，采用载荷（应力）谱常用描述方法将应力分为8级，再根据Miner损伤公式分级计算每一级应力所产生的损伤。通过统计各级应力的损伤及每个测点的累计损伤，齿轮箱箱体4个测点（大齿轮箱轴承正上方、小齿轮箱轴承正上方、大齿轮箱齿面观察孔和大齿轮箱油位观察孔）在9种速度等级下的具体的计算结果在表4-9～表4-26给予详细说明。从表中可以看出各测点在每个应力等级所对应的应力范围、循环次数及损伤，同时算出每个测点在各个速度等级及试验时间下的累计损伤。

表4-9　230kN垂向载荷速度为0～100km/h工况下的应力累计损伤应力单位：MPa

表4-10　230kN垂向载荷速度为0～100km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-11　230kN垂向载荷速度为100km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-12　230kN垂向载荷速度为100km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-13　230kN垂向载荷速度为100～200km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-14　230kN垂向载荷速度为100～200km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

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表4-15　230kN垂向载荷速度为200km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-16　230kN垂向载荷速度为200km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-17　230kN垂向载荷速度为200～250km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-18　230kN垂向载荷速度为200～250km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-19　230kN垂向载荷速度为250km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-20　230kN垂向载荷速度为250km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-21　230kN垂向载荷速度为250～300km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-22　230kN垂向载荷速度为250～300km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-23　230kN垂向载荷速度为300km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-24　230kN垂向载荷速度为300km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-25　230kN垂向载荷速度为300～0km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-26　230kN垂向载荷速度为300～0km/h工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

根据表4-9～表4-26计算得到9个速度等级下4个测点的动应力累计损伤，具体结果如表4-27所示。同理根据上述的分析方法，可以得到垂向载荷工况为180kN和100kN时9个速度等级下4个测点应力累计损伤结果，具体如表4-28和表4-29所示。

表4-27　垂向载荷230kN各个测点不同速度工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-28　垂向载荷180kN各个测点不同速度工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

表4-29　垂向载荷100kN各个测点不同速度工况下的应力累计损伤　应力单位：MPa

根据表4-27、表4-28和表4-29中的数据生成如图4-24所示的齿轮箱箱体4个测点在不同垂向载荷工况下的动应力累计损伤演化规律：在1至2、2至3及8至9这三个速度等级段之间，各测点的动应力累计损伤波较大，这是由于试验台在1至2、2至3的速度等级下存在共振现象。在8至9的速度等级是快速降速阶段，箱体振动剧烈；在3至8的速度等级中各测点的动应力累计损伤波动很小，有的甚至几乎没有变化，即在相同的速度工况下，垂向载荷对动应力的累计损伤影响甚微。

图4-24　齿轮箱箱体在不同垂向载荷工况下的动应力累计损伤演化

尽管大齿轮箱轴承正上方应变片的应变系数为其他3个位置的3倍，但由于其测量位置为钢材，其疲劳极限值远高于铝合金材料，所以齿轮箱轴承端盖正上方的损伤并没有大齿轮箱齿面观察孔严重。动应力损伤最大值出现在大齿轮箱齿面观察孔，最大值为2.492 93×10-8MPa，这可能是B型齿轮箱箱体出现裂纹的原因之一，而损伤最小的是小齿轮箱体轴承正上方，最大值仅为2.017 1×10-12MPa。