馱背運(yùn)輸車(chē)移動(dòng)軌道滾動(dòng)接觸疲勞分析

方吉，楊晨曦，李華，李向偉，李曉峰

馱背運(yùn)輸車(chē)移動(dòng)軌道滾動(dòng)接觸疲勞分析

方吉1, 2，楊晨曦1，李華2，李向偉2，李曉峰1

(1. 大連交通大學(xué) 機(jī)車(chē)車(chē)輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2. 中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

馱背運(yùn)輸車(chē)是我國(guó)新設(shè)計(jì)的運(yùn)輸公路貨車(chē)的鐵路專(zhuān)用貨車(chē)，針對(duì)其裝卸過(guò)程中移動(dòng)軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與疲勞問(wèn)題，建立馱背運(yùn)輸車(chē)裝卸機(jī)構(gòu)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析。為了更準(zhǔn)確地模擬移動(dòng)軌道在滾動(dòng)接觸過(guò)程中的受力情況，將移動(dòng)軌道制作成柔性體建立剛?柔耦合動(dòng)力學(xué)模型，并定義剛體與柔性體之間的滾動(dòng)接觸關(guān)系，對(duì)裝卸過(guò)程進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。提取動(dòng)力學(xué)計(jì)算的結(jié)果中的模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程，采用網(wǎng)格不敏感模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法預(yù)測(cè)移動(dòng)軌道焊縫結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，對(duì)比分析各階模態(tài)及軌道的水平偏移角度對(duì)焊縫疲勞壽命的影響。

馱背運(yùn)輸車(chē)；移動(dòng)軌道；剛?柔耦合；模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法；焊縫疲勞

馱背運(yùn)輸車(chē)是適用于運(yùn)輸公路貨車(chē)的鐵路專(zhuān)用貨車(chē)，鐵路馱背式運(yùn)輸這種特殊的運(yùn)輸方式在歐美等國(guó)家發(fā)展將近百年，獲得比較豐富的運(yùn)輸、運(yùn)營(yíng)等方面的經(jīng)驗(yàn)[1?4]。我國(guó)馱背式運(yùn)輸產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)屬于起步階段，2014年10月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《物流業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃2014—2020》，提出加快推進(jìn)多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展，探索構(gòu)建馱背運(yùn)輸、水路滾裝運(yùn)輸?shù)榷嗍铰?lián)運(yùn)體系。2016年在中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛公司，我國(guó)首款鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)通過(guò)鐵總樣車(chē)試用評(píng)審。目前我國(guó)鐵路馱背式運(yùn)輸車(chē)主要用途為輛載運(yùn)汽車(chē)或半掛運(yùn)輸車(chē)輛，其裝卸方式比較獨(dú)特，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[5?6]，采用液壓和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使車(chē)體結(jié)構(gòu)向軌道外側(cè)平移，待汽車(chē)進(jìn)入車(chē)體之后，恢復(fù)到原來(lái)的位置。吳強(qiáng)[7]采用基于能量密度法和臨界平面法的裂紋萌生預(yù)測(cè)模型，分析了城市軌道交通U75V熱軋鋼軌表面滾動(dòng)接觸疲勞裂紋萌生壽命和相應(yīng)的磨耗發(fā)展率。李慧樂(lè)等[8]提出基于車(chē)橋耦合動(dòng)力分析的鋼橋疲勞評(píng)估方法，建立車(chē)橋動(dòng)力系統(tǒng)模型進(jìn)行列車(chē)過(guò)橋耦合振動(dòng)分析，在此基礎(chǔ)上，采用S-N曲線(xiàn)法對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞損傷和剩余使用壽命進(jìn)行評(píng)估。Pape等[9]研究了微夾雜物與疲勞壽命之間的關(guān)系，將在某些測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與某些分析模型進(jìn)行比較并將滾動(dòng)體的壽命與微熔覆參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。Ossola等[10]基于Lundberg和Palmgren的模型，將與材料有關(guān)的應(yīng)力疲勞極限與疲勞應(yīng)力準(zhǔn)則聯(lián)系起并確定軸承的疲勞壽命。Paladugu等[11]在研究2種類(lèi)型的微觀(guān)結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)接觸引起的塑性變形都傾向于顯著降低近表面殘余奧氏體含量，微觀(guān)結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力和殘余奧氏體數(shù)量的這種差異明顯影響了滾動(dòng)接觸的壽命。我國(guó)馱背運(yùn)輸車(chē)除了運(yùn)載集裝箱貨車(chē)之外，還要實(shí)現(xiàn)滾狀貨物的自動(dòng)裝卸的任務(wù)，于是需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的裝卸機(jī)構(gòu)，滿(mǎn)足集裝箱汽車(chē)的自動(dòng)裝卸要求，QT1型馱背運(yùn)輸車(chē)樣車(chē)見(jiàn)圖2所示。第1代公鐵聯(lián)運(yùn)馱背式運(yùn)輸車(chē)的裝卸機(jī)構(gòu)采用滾裝滾卸的方式，地面站點(diǎn)建設(shè)為自裝卸式站點(diǎn)，主要采用凹底架單側(cè)擺動(dòng)式裝卸作業(yè)方式。目前，最新建設(shè)的運(yùn)輸站點(diǎn)已經(jīng)包含多種方式，比如地面驅(qū)動(dòng)式站點(diǎn)，適合底架可以進(jìn)行兩端擺動(dòng)，或者整體平移的馱背運(yùn)輸方式；吊裝卸式站點(diǎn)，適合吊裝吊卸的馱背運(yùn)輸方式，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 馱背運(yùn)輸車(chē)裝載方式示意

圖2 QT1型馱背運(yùn)輸車(chē)

表1 馱背運(yùn)輸車(chē)基本參數(shù)

移動(dòng)軌道結(jié)構(gòu)是裝卸過(guò)程中的主要承載部件，受移動(dòng)載荷作用，這就給該部件的疲勞分析帶來(lái)很大的困難。為了解決移動(dòng)載荷作用下焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析難題，本文采用剛?柔耦合模型進(jìn)行裝卸過(guò)程的模擬仿真分析，采用網(wǎng)格不敏感模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對(duì)移動(dòng)軌道焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，并分析各階模態(tài)對(duì)焊縫疲勞壽命的影響。

1 裝卸機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

本文建立的馱背運(yùn)輸車(chē)整車(chē)模型初始狀態(tài)為載運(yùn)貨車(chē)已經(jīng)裝載完成，前端為轉(zhuǎn)向架支撐，中部為端部伸縮油缸及底部支撐裝置，后端為中部底架及轉(zhuǎn)向架支撐。各個(gè)部件按照實(shí)際空間位置，及連接關(guān)系連接，并添加正確的約束和驅(qū)動(dòng)，來(lái)建立整車(chē)剛?柔耦合模型。馱背運(yùn)輸車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型主要包含以下部件：1為端部底架，2為凹底架升降裝置，3為載運(yùn)貨車(chē)，4為中部底架支撐，5為凹底架，6為端部伸縮油缸，7為2個(gè)滑輪，8為移動(dòng)軌道，9為k6轉(zhuǎn)向架。

圖3 裝卸機(jī)構(gòu)剛?柔耦合模型

其中轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，主要考察搖枕彈簧在裝卸過(guò)程中的變形對(duì)裝卸結(jié)構(gòu)受力的影響，采用彈簧元模擬其連接關(guān)系，其他各構(gòu)件均采用固定副連接，且不考慮輪軌接觸關(guān)系。所建立的裝卸機(jī)構(gòu)剛?柔耦合模型如圖3所示。其中移動(dòng)軌道為柔性體，其它部件均視為剛體。對(duì)于剛體結(jié)構(gòu)，只需定義其質(zhì)量屬性，例如質(zhì)心位置、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。并且軟件中為使用者提供了各種類(lèi)型的力元、約束、鉸接方式等，方便快速高效建模，動(dòng)力學(xué)模型的模型拓?fù)潢P(guān)系見(jiàn)圖4。

移動(dòng)軌道在裝卸過(guò)程中起主要承載作用，凹底架的滑輪在移動(dòng)軌道上橫向滑移實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)卸貨。移動(dòng)滑道受力情況雖然不復(fù)雜，但是載荷的作用位置始終在變化，準(zhǔn)靜態(tài)疲勞壽命評(píng)估方法根本無(wú)法較準(zhǔn)確的模擬其受力狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)接觸條件下移動(dòng)軌道焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的可靠評(píng)估，將移動(dòng)軌道作柔形體建立剛?柔耦合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析。馱背運(yùn)輸車(chē)動(dòng)力學(xué)模型以及各部件連接的力元和約束等組成，在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/ View模塊中，借助有限元軟件Ansys建立移動(dòng)軌道柔性體輸入文件.mnf。在有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，移動(dòng)軌道采用六面體實(shí)體單元，并且將焊縫局部幾何用實(shí)體單元模擬，建立帶焊縫細(xì)節(jié)的柔性體模型。另外，有限元模型中需要定義柔性體與外界剛體之間的接口關(guān)系，每個(gè)接口處會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的6個(gè)約束界面模態(tài)，經(jīng)過(guò)正交變換后演變成高階綜合模態(tài)。交界面自由度不宜選取太多，數(shù)量過(guò)多勢(shì)必會(huì)增加總的模態(tài)階數(shù)，增加計(jì)算量和數(shù)據(jù)文件容量。

圖4 動(dòng)力學(xué)模型拓?fù)潢P(guān)系圖

為了減少接口處交界面自由度數(shù)，通常在約束或鉸接等部位，盡量采用剛性單元將面?面接觸配合的部位濃縮到一個(gè)主節(jié)點(diǎn)處，這樣即可以有效的減少界面自由度，又能滿(mǎn)足交界面連接關(guān)系定義的需求。移動(dòng)軌道與外界剛體之間主要通過(guò)3個(gè)部位連接，為了考慮移動(dòng)軌道與轉(zhuǎn)軸部分上下連接部位受力不一致的載荷條件，將該連接軸分解為上下2個(gè)接口定義；與支撐油缸連接部分選區(qū)一個(gè)主節(jié)點(diǎn)為界面接口，最后一個(gè)連接界面處是移動(dòng)軌道與推桿連接的接口，總共定義4個(gè)交界面接口(見(jiàn)圖5)，其比分相關(guān)正交化后的約束界面模態(tài)如表3所示。

采用Craig-Bampton模態(tài)綜合法制作移動(dòng)軌道的柔性體[12?13]，其中柔性體模態(tài)固定界面主模態(tài)20階，約束模態(tài)18階，剛體模態(tài)6階，經(jīng)過(guò)2次坐標(biāo)變換后獲得總共44階摸態(tài)。其中固定界面主模態(tài)經(jīng)正交變換后獲得低階綜合主模態(tài)(部分低階綜合模態(tài)見(jiàn)表2)，其模態(tài)振型與結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)近似。約束模態(tài)經(jīng)正交變換獲得的高階綜合主模態(tài)(部分高階綜合模態(tài)見(jiàn)表3)，其模態(tài)振型與結(jié)構(gòu)在交界面處產(chǎn)生靜態(tài)位移模式近似。

圖5 柔性體界面接口定義

表2 部分低階綜合模態(tài)

在A(yíng)DAMS/View中接觸力的求解方法有下面2種：1) 補(bǔ)償法需選擇合適懲罰系數(shù)與補(bǔ)償系數(shù)，設(shè)置的懲罰系數(shù)越大則嵌入體積越小，此時(shí)的接觸剛度越大；2) 沖擊函數(shù)法是利用軟件函數(shù)庫(kù)中的Impact函數(shù)進(jìn)行接觸力的計(jì)算，所需構(gòu)件嵌入時(shí)生成的彈性力和物體間相對(duì)速度生成的阻尼力這兩部分。采用沖擊函數(shù)法定義滑輪與柔性軌道之間的接觸如圖6所示。

表3 部分高階綜合模態(tài)

圖6 滑輪-移動(dòng)軌道接觸模型

接觸可以分為法向接觸與切向接觸。其中切向接觸的摩擦求解較為復(fù)雜，通常分為動(dòng)摩擦和靜摩擦[14]。

圖7 阻尼與穿透深度曲線(xiàn)

法向接觸力的廣義表示形式為：

式中：是赫茲接觸剛度；表示為法向的穿透深度，表示為阻尼系數(shù)，計(jì)算過(guò)程中選取合適的接觸阻尼參數(shù)可以使得接觸面處的振動(dòng)快速收斂(見(jiàn)圖7)；e表示力的指數(shù)，該車(chē)滑輪與移動(dòng)軌道為鋼材料之間的接觸，取值為1.5；V表示為法向相對(duì)速度[15]。

2 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

目前數(shù)值求解積分的方法有很多如中心差分法，Newmark，Wilson-a和Houbolt，龍格庫(kù)塔法等[16?18]，由于Newmark積分法具有較高的收斂性和精度，在時(shí)間域上的動(dòng)力學(xué)方程求解中應(yīng)用廣泛。考慮到馱背車(chē)剛?柔耦合模型計(jì)算量大，非線(xiàn)性接觸的接觸的收斂性等問(wèn)題，本文采用改進(jìn)的Newmark積分法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)馱背車(chē)裝卸機(jī)構(gòu)實(shí)際的工作過(guò)程，將總時(shí)間定為50 s，根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，分配合理的仿真時(shí)間，具體步驟見(jiàn)表4所示。

表4 裝卸機(jī)構(gòu)仿真步驟

在裝卸載過(guò)程中，勻速擺進(jìn)與擺出過(guò)程中，移動(dòng)軌道受滑輪的垂向作用力大小基本穩(wěn)定不變，但是力的做用點(diǎn)隨時(shí)間變化見(jiàn)圖8。移動(dòng)軌道道支撐油缸的受力與滑輪在移動(dòng)軌道的位置直接相關(guān)，當(dāng)滑輪離支撐油缸越近載荷越大(見(jiàn)圖9)。移動(dòng)軌道的支座結(jié)構(gòu)是移動(dòng)軌道的主要承載部位，與端部底架通過(guò)軸套鉸接，承受符合載荷，3個(gè)方向均存在作用力(見(jiàn)圖10)，其中垂向力最大，在移動(dòng)滑輪擺進(jìn)和擺出過(guò)程中，載荷呈出現(xiàn)過(guò)2次峰值，因此該變化的載荷是導(dǎo)致連接處產(chǎn)生疲勞的主要原因。

圖8 滑輪與移動(dòng)軌道之間的垂向接觸力

圖9 移動(dòng)軌道支撐油缸垂向力時(shí)間歷程

圖10 移動(dòng)軌道支座受力時(shí)間歷程

3 模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法疲勞分析

移動(dòng)軌道由多種不同厚度、不同類(lèi)型的板材焊接而成，然而焊縫處是焊接結(jié)構(gòu)疲勞薄弱位置[19]。選取其中具有代表性、容易發(fā)生疲勞破壞的5條焊縫進(jìn)行分析(見(jiàn)圖11)，引入模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對(duì)其焊縫進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估[19]。

應(yīng)用模態(tài)迭加原理，線(xiàn)彈性體的內(nèi)焊縫焊趾處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨時(shí)間的變化通過(guò)模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疊加來(lái)獲得[20]：

式中：()是彎曲度比的無(wú)量綱函數(shù)(=?σ/?σ)；=3.6；為板厚。

圖11 移動(dòng)軌道評(píng)估焊縫位置示意圖

通過(guò)剛?柔耦合模型的計(jì)算，可以輸出每階柔性體模態(tài)對(duì)應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程(見(jiàn)圖12)。結(jié)合有限元軟件在生成柔性體文件過(guò)程中輸出的模態(tài)節(jié)點(diǎn)力結(jié)果，采用模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其中每條焊縫都有與之對(duì)應(yīng)的模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集，其中第3條焊縫對(duì)應(yīng)的第7階模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖13所示，并通過(guò)模態(tài)疊加獲得焊縫上每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)間歷程，其中第3條焊縫首節(jié)點(diǎn)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)間歷程如圖14所示，最后利用鋼材料的主S-N曲線(xiàn)計(jì)算焊縫疲勞壽命。5條焊縫疲勞壽命匯總見(jiàn)表5，第3條焊縫的疲勞壽命分布見(jiàn)圖15。

從表5可以看出，5條關(guān)鍵焊縫的疲勞壽命中第3條焊縫的壽命最低為7.21萬(wàn)次。根據(jù)馱背運(yùn)輸車(chē)實(shí)際作業(yè)特點(diǎn)，裝卸機(jī)構(gòu)使用概率大致為每天2次，按設(shè)計(jì)使用壽命30 a的計(jì)算，共計(jì)2×365×30= 21 900次，而移動(dòng)軌道結(jié)構(gòu)在裝卸完成后，擺回到車(chē)體側(cè)面支撐座上，在列車(chē)線(xiàn)路運(yùn)行條件下移動(dòng)軌道處于閑置不受力狀態(tài)，因此裝卸過(guò)程的疲勞損是累計(jì)損傷的主要來(lái)源，5條焊縫均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用壽命30 a的要求。

圖12 第7階模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程

圖13 第7階模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖14 節(jié)點(diǎn)1等效結(jié)構(gòu)時(shí)間歷程

由于模態(tài)是采用質(zhì)量矩陣歸一化后的特征向量，其模態(tài)坐標(biāo)的大小并不能直接說(shuō)明該模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及疲勞壽命貢獻(xiàn)的大小。為了考察每階模態(tài)各自對(duì)該焊縫疲勞壽命的影響，假設(shè)各階模態(tài)以各自模態(tài)坐標(biāo)為參與因子，計(jì)算各階模態(tài)單獨(dú)作用下的疲勞壽命，目的是考察哪些模態(tài)對(duì)焊縫疲勞壽命影響比較大。由于計(jì)算工作量大，選取了1，3和5 3條焊縫進(jìn)行壽命計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果處理成直方圖，見(jiàn)圖16~18。從計(jì)算結(jié)果看，對(duì)疲勞壽命影響較大的并不是低階模態(tài)，而是由高階綜合主模態(tài)。由于該結(jié)構(gòu)所承受的載荷位置雖然是變化的，但變化的速率很慢，因此結(jié)構(gòu)所承受的外載荷基本屬于準(zhǔn)靜態(tài)載荷，所以低階模態(tài)的貢獻(xiàn)較小。雖然正交化的Craig-Bampton約束模態(tài)屬于高階模態(tài)，頻率也高，但是其模態(tài)是基于靜力凝聚法經(jīng)正交變換后獲得的模態(tài)，其模態(tài)振型能夠較好的擬合結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)變形，因此，結(jié)構(gòu)所承受準(zhǔn)靜態(tài)載荷條件下，高階綜合主模態(tài)起主要作用。

圖15 焊縫3疲勞壽命云圖

表5 焊縫疲勞壽命統(tǒng)計(jì)

圖16 各階模態(tài)對(duì)第1條焊縫疲勞壽命影響

另外考慮到移動(dòng)軌道實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，道路可能不平整，在支撐油缸伸長(zhǎng)量不變的情況下，移動(dòng)軌道可能發(fā)生偏斜，軌道的水平偏移角度對(duì)移動(dòng)軌道焊縫3疲勞壽命的影響見(jiàn)表6。

圖17 各階模態(tài)對(duì)第3條焊縫疲勞壽命影響

圖18 各階模態(tài)對(duì)第5條焊縫疲勞壽命影響

表6 軌道的水平偏移角度對(duì)焊縫3壽命影響

從表6可以看出，當(dāng)移動(dòng)軌道外端偏移角度為?0.4度時(shí)，焊縫3的疲勞壽命最低，且30 a的等效總疲勞損傷接近于0.5，當(dāng)移動(dòng)軌道外端降低0.4度時(shí)，30 a的等效總疲勞損傷接近于0.4。無(wú)論外端抬高還是降低都對(duì)裝卸過(guò)程不利，因此在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中要進(jìn)盡量保持水平，傾斜角度應(yīng)控制在0.4度以?xún)?nèi)。

4 結(jié)論

1) 將剛?柔耦合模型與模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)接觸條件下軌道焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評(píng)估新技術(shù)。

2) 移動(dòng)軌道5條關(guān)鍵焊縫進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，其中焊縫3處疲勞壽命最低為3.27×105次，按每天裝卸2次的使用概率，30 a等效使用共21 900次計(jì)算，累計(jì)損傷比小于1，疲勞強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3) 通過(guò)假設(shè)每階模態(tài)單獨(dú)作用下，根據(jù)每階模型各自的響應(yīng)計(jì)算焊縫疲勞壽命，結(jié)果顯示：對(duì)疲勞壽命影響較大的并不是低階模態(tài)，而是高階綜合主模態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)所承受的外載荷基本屬于準(zhǔn)靜態(tài)載荷時(shí)，高階綜合模態(tài)起主要作用(即正交化的Craig-Bampton約束界面模態(tài))。

4)移動(dòng)軌道外端無(wú)論外端抬高還是降低都對(duì)裝卸過(guò)程不利，為了使焊縫疲勞滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中要盡量保持水平，傾斜角度應(yīng)控制在0.4度以?xún)?nèi)。

[1] 徐寶華, 王奭, 魏秀. 我國(guó)鐵路開(kāi)展馱背運(yùn)輸?shù)目尚行约跋嚓P(guān)建議[J]. 中國(guó)鐵路, 2018, 675(9): 25?28. XU Baohua, WANG Shi, WEI Xiu. Feasibility of piggyback transport in China and recommendations[J]. Chinese Railways, 2018, 675(9): 25?28.

[2] Christoph Seidelmann. 40 years combined transport road-rail in Europe[M]. Belgium: International Union of Combined Road-Rail Transport Companies, 2010.

[3] 孫敬偉. 鐵路馱背運(yùn)輸工藝研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2018, 35(4): 7?10. SUN Jingwei. Research on the transportation technology of railway piggyback[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2018, 35(4): 7?10.

[4] 李臣, 何銀川, 周煒, 等. 歐美馱背運(yùn)輸發(fā)展及對(duì)我國(guó)的啟示[J]. 綜合運(yùn)輸, 2017, 39(11): 80?83. LI Chen, HE Yinchuan, ZHOU Wei, et al. The development of piggyback transportation in Europe and America and its enlightenment to China[J]. Comprehensive Transportation Review, 2017, 39(11): 80?83.

[5] 黃禮明, 張海岐. 鐵路馱背運(yùn)輸方案研究[J]. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新, 2018(6): 66?68. HUANG Liming, ZHANG Haiqi. Research on piggyback transportation scheme of railway[J]. Railway Technological Innovation, 2018(6): 66?68.

[6] 張小華. 淺析我國(guó)鐵路駝背運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 中國(guó)市場(chǎng), 2017(16): 144?145. ZHANG Xiaohua. Analysis of the status quo and development of railway humpback transportation in China[J]. China Market Marketing, 2017(16): 144?145.

[7] 吳強(qiáng). 城市軌道交通鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞裂紋萌生預(yù)測(cè)[J]. 上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 31(4): 295?301. WU Qiang. Prediction on rolling contact fatigue crack initiation of rails in urban rail transit[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2017, 31(4): 295?301.

[8] 李慧樂(lè), 夏禾, 張楠, 等. 基于車(chē)橋耦合動(dòng)力分析的鋼橋疲勞損傷與剩余壽命評(píng)估[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2017, 39(1): 104?110. LI Huile, XIA He, ZHANG Nan, et al. Assessment of fatigue damage and remaining life of steel bridges based on train-bridge coupling dynamic analysis[J]. Journal of the China Railway Society, 2017, 39(1): 104?110.

[9] Pape F, Coors T, WANG Y, et al. Fatigue life calculation of load-adapted hybrid angular contact ball bearings[C]// 7th International Conference on Fracture Fatigue and Wear, Springer, Singapore, 2018: 401?414.

[10] Ossola E, Pagliassotto S, Rizzo S, et al. Microinclusion and fatigue performance of bearing rolling elements[J]. Mechanical Fatigue of Metals, 2019(7): 321?326.

[11] Paladugu M, Hyde R S. Influence of microstructure on retained austenite and residual stress changes under rolling contact fatigue in mixed lubrication conditions[J]. Wear, 2018(4): 84?91.

[12] 方吉, 兆文忠, 樸明偉. 基于模態(tài)疊加法的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2015, 34(5): 186?192. FANG Ji, ZHAO Wenzhong, PIAO Mingwei. Fatigue life prediction of welded structures based on modal superposition method[J]. Journal of Vibration and Shock. 2014, 35(5): 75?78.

[13] 王月, 馮韶偉, 王建明, 等. 基于修正的Craig- Bampton法的大長(zhǎng)徑比助推器分離特性研究[J]. 計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 36(2): 240?245. WANG Yue, FENG Shaowei, WANG Jianming, et al. Separation characteristics of large aspect ratio booster based on modified Craig-Bampton method[J]. Journal of Computational Mechanics, 2019, 36(2): 240?245.

[14] Johnson K L. 接觸力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1992: 6?148. Johnson K L. Contact mechanics[M]. Beijing: Higher Education Press, 1992: 6?148.

[15] 陳軍. MSC. ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2008. CHEN Jun. MSC. ADAMS technology and engineering analysis examples[M]. Beijing: China Water & Power Press, 2008.

[16] Francesco Tornabene, Nicholas Fantuzzi, Michele Bacciocchi. Strong and weak formulations based on differential and integral quadrature methods for the free vibration analysis of composite plates and shells: Convergence and accuracy[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements, 2018, 92: 3?37.

[17] Belov A A, Kalitkin N N. Efficient numerical integration methods for the cauchy problem for stiff systems of ordinary differential equations[J]. Differential Equations, 2019, 55(7): 871?883.

[18] M C Emre Simsekler, Ayse P Gurses, Brian E Smith, et al. Integration of multiple methods in identifying patient safety risks[J]. Safety Science, 2019,118: 530?537.

[19] 方吉. 預(yù)測(cè)軌道車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命的新方法研究與應(yīng)用[D]. 大連: 大連交通大學(xué), 2016. FANG Ji. New method research and application of vibration fatigue life predition for welded structures in railway vehicle[D]. Dalian: Dalian Jiaotong University, 2016.

[20] 方吉, 楊晨曦, 韓正彥. 基于剛?cè)狁詈系腟Q6型車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2019, 16(8): 2070?2076. FANG Ji, YANG Chenxi, HAN Zhengyan. Vibration fatigue life analysis of SQ6 truck based on rigid-flexible coupling model[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2019, 16(8): 2070?2076.

Rolling contact fatigue analysis of moving track of piggyback transporter

FANG Ji1, 2, YANG Chenxi1, LI Hua2, LI Xiangwei2, LI Xiaofeng1

(1. College of Locomotive and Rolling Stock Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2. CRRC Qiqihar Rolling Stock Co., Ltd, Qiqihar 161000, China)

The piggyback transporter is a new designed railway special-purpose truck suitable for transporting road trucks of China. For the purpose of checking the strength and fatigue of the moving track structure during its loading and unloading process, this paper built the multi-body system dynamics model of the piggyback transporter loading and unloading mechanism. In order to simulate the force of the moving track during rolling contact more accurately, the moving track was made into flexible body to establish the rigid-flexible coupling dynamic model. The rolling contact relationship between the rigid body and the flexible body during the loading and unloading process was established in dynamic model. The modal coordinate time history from dynamic calculation were extracted. The fatigue life of the weld structure of the moving track is predicted using the grid-insensitive modal structural stress method. The effects of different modes and horizontal deviation angle of track on fatigue life of weld seam were compared and analyzed in this paper.

piggyback transporter; moving track; rigid-flexible coupling; modal structural stress method; welded structure fatigue

U272

A

1672 ? 7029(2020)06 ? 1538 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190855

2019?10?11

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFB1201303)；遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20170520162)；大連市高層次人才計(jì)劃項(xiàng)目(2017RQ132)

李曉峰(1972?)，男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，博士，從事軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞研究；E?mail：lixiaofeng2007@126.com

(編輯 陽(yáng)麗霞)