車(chē)輪多邊形對(duì)地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧疲勞壽命的影響研究

何偉，張合吉，陳帥，吳磊，王衡禹*,

車(chē)輪多邊形對(duì)地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧疲勞壽命的影響研究

何偉1，張合吉1，陳帥2，吳磊3，王衡禹*,1

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

針對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵線路車(chē)輛在運(yùn)行中出現(xiàn)一系鋼彈簧疲勞斷裂的現(xiàn)象，對(duì)車(chē)輪多邊形對(duì)地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧疲勞壽命的影響進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)發(fā)生斷簧位置的車(chē)輪表面狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)車(chē)輪存在明顯的六階車(chē)輪多邊形磨耗。通過(guò)一系鋼彈簧動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了車(chē)輪多邊形激勵(lì)導(dǎo)致彈簧共振可能是一系鋼彈簧斷裂的原因?；赟IMPACK和ANSYS相結(jié)合建立了考慮一系鋼彈簧柔性的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了不同多邊形狀態(tài)下一系鋼彈簧的應(yīng)力載荷譜，采用Miner線性累積損傷理論對(duì)彈簧疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：地鐵車(chē)輛車(chē)輪多邊形的階次、波深以及列車(chē)的運(yùn)行速度對(duì)一系鋼彈簧的疲勞壽命都有很大的影響，且當(dāng)車(chē)輪多邊形通過(guò)頻率與一系鋼彈簧固有頻率接近時(shí)，其壽命顯著降低。降低彈簧座橡膠墊剛度可以提高隔振能力，增加彈簧使用壽命。

地鐵車(chē)輛；一系鋼彈簧；車(chē)輪多邊形；疲勞壽命

隨著地鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)速度和載客量的不斷增加，越來(lái)越多的地鐵車(chē)輛出現(xiàn)了車(chē)輪多邊形磨耗的現(xiàn)象。車(chē)輪多邊形磨損（又稱(chēng)車(chē)輪不圓或車(chē)輪諧波磨損）是指鐵路車(chē)輛車(chē)輪名義滾動(dòng)圓周向出現(xiàn)不均勻磨損的現(xiàn)象[1]，車(chē)輪多邊形磨損會(huì)加大輪軌間的相互作用力，不僅會(huì)引起車(chē)內(nèi)外噪音和振動(dòng)異常，影響乘坐舒適性和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，而且還會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛零部件產(chǎn)生疲勞失效而發(fā)生破壞，危害行車(chē)安全。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)車(chē)輪多邊形對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和車(chē)輛部件損傷的影響做了大量研究。鄧永果[2]通過(guò)建立三維柔性車(chē)體剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，研究了車(chē)輪多邊形對(duì)高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的影響。Johansson和Nielsen[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析研究了不同階次車(chē)輪多邊形對(duì)輪軌垂向力的影響，認(rèn)為由車(chē)輪多邊形引起的輪軌相互作用力中的中低頻成分會(huì)對(duì)軸箱造成影響。Snyder等[4]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出車(chē)輪不圓會(huì)造成輪輞變形，對(duì)軸箱和線路造成極大破壞的結(jié)論。鄒航宇等[5]通過(guò)建立柔性軸箱的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，研究了車(chē)輪多邊形對(duì)軸箱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。張浩然[6]通過(guò)建立柔性構(gòu)架的車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，研究了車(chē)輪多邊形對(duì)構(gòu)架的疲勞壽命的影響。

在已有的研究中，研究者們主要從車(chē)輪多邊形對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，以及其對(duì)軸箱、輪對(duì)和構(gòu)架等車(chē)輛部件破壞進(jìn)行研究，尚缺少車(chē)輪多邊形對(duì)車(chē)輛一系鋼彈簧影響的研究。

軌道車(chē)輛的一系鋼彈簧是車(chē)輛的重要懸掛部件。研究者們對(duì)車(chē)輛一系鋼彈簧斷裂失效的原因也進(jìn)行過(guò)較多的研究。Das等[7]從微觀角度分析彈簧斷裂的原因，認(rèn)為材料缺陷是彈簧斷裂的原因；Prawoto等[8]從螺旋彈簧的材料特性、應(yīng)力分布、制造工藝及常規(guī)失效形式等方面詳細(xì)分析了彈簧斷裂的原因；Maciejewski和Akyuz[9]通過(guò)對(duì)彈簧斷裂進(jìn)行分析，研究了彈簧內(nèi)部組織對(duì)彈簧疲勞壽命的影響；王艷華等[10]認(rèn)為鐵路軸箱彈簧在服役過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中是導(dǎo)致彈簧斷裂的原因；王文靜等[11]通過(guò)斷口形貌分析以及有限元仿真，得出動(dòng)車(chē)組軸箱彈簧發(fā)生了疲勞斷裂的結(jié)論。周橙和尹太國(guó)等[12-13]通過(guò)測(cè)試和仿真分析，研究了彈簧的動(dòng)應(yīng)力特性及振動(dòng)激勵(lì)源，認(rèn)為軌道波浪形磨耗的激勵(lì)是地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧斷裂的重要原因。上述大多數(shù)研究主要采用理化分析的方法從彈簧材料的角度對(duì)一系鋼彈簧的斷裂失效進(jìn)行研究，并通過(guò)斷口分析推測(cè)彈簧的受力狀態(tài)，未對(duì)彈簧疲勞斷裂的動(dòng)力學(xué)成因進(jìn)行深入探討。涉及動(dòng)力學(xué)成因的研究都集中在軌道激勵(lì)對(duì)一系鋼彈簧斷裂失效的影響。

本文在地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧動(dòng)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立考慮地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧柔性的整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，研究了一系鋼彈簧在車(chē)輪多邊形條件下的振動(dòng)響應(yīng)，并基于疲勞損傷理論對(duì)不同多邊形工況下一系鋼彈簧的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究車(chē)輪多邊形對(duì)地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧疲勞失效的影響，從而為一系鋼彈簧的使用維修給出參考和建議。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及分析

國(guó)內(nèi)某地鐵線路的車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生了一系鋼彈簧斷裂的現(xiàn)象。有的一系鋼彈簧使用2～6萬(wàn)公里后就發(fā)生斷裂，遠(yuǎn)低于200萬(wàn)公里的設(shè)計(jì)壽命。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，絕大多數(shù)彈簧的斷裂點(diǎn)均出現(xiàn)在彈簧端部1.2圈位置附近。同時(shí)，對(duì)斷簧位置的車(chē)輪失圓情況的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，發(fā)生斷簧位置的車(chē)輪出現(xiàn)了明顯的車(chē)輪失圓現(xiàn)象，其最大徑跳值可達(dá)0.43 mm，階次特征為六階車(chē)輪多邊形磨損，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。圖1（a）、圖1（b）分別給出了采用極坐標(biāo)系和階次圖表示的車(chē)輪多邊形結(jié)果。列車(chē)在該線路的多個(gè)區(qū)間的最高行駛速度為90 km/h。該車(chē)輪的名義滾動(dòng)圓直徑為＝0.84 m，當(dāng)列車(chē)以＝90 km/h的速度行駛時(shí)，其通過(guò)頻率為：

式中：為通過(guò)頻率，Hz；為車(chē)輪多邊形階次；為行車(chē)速度，km/h；為車(chē)輪直徑，m。

圖1 實(shí)測(cè)六階車(chē)輪多邊形

為了獲得一系鋼彈簧在該車(chē)輪多邊形激勵(lì)下振動(dòng)的動(dòng)應(yīng)力，在彈簧端部1.2圈位置對(duì)一系鋼彈簧進(jìn)行了運(yùn)營(yíng)條件下的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試。并進(jìn)行頻譜分析，如圖2所示，從彈簧動(dòng)應(yīng)力的頻譜圖中可以看出，彈簧應(yīng)力在60 Hz附近出現(xiàn)了明顯的峰值。該60 Hz的頻率與具有六階多邊形的車(chē)輪在90 km/h的運(yùn)行速度條件下的通過(guò)頻率非常接近。由此可以推測(cè)，具有六階多邊形的車(chē)輪在90 km/h運(yùn)行速度下產(chǎn)生的激振引起了彈簧共振，彈簧長(zhǎng)期在共振條件下運(yùn)行產(chǎn)生疲勞失效，最終導(dǎo)致彈簧斷裂。

2 數(shù)值模型

為了驗(yàn)證和分析在測(cè)試中得到的結(jié)論，建立考慮地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧柔性的整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。

2.1 一系鋼彈簧有限元模型

車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中輪軌激擾對(duì)一系鋼彈簧動(dòng)應(yīng)力的影響主要來(lái)自于彈簧的變形，采用剛體動(dòng)力學(xué)建模無(wú)法體現(xiàn)輪軌激擾對(duì)彈簧彈性變形的影響，因此，需要對(duì)一系鋼彈簧進(jìn)行柔性體建模。

本文所研究的一系鋼彈簧的相關(guān)參數(shù)如表1所示。首先建立一系鋼彈簧的三維實(shí)體模型，然后利用有限元網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh對(duì)彈簧進(jìn)行離散化。在離散過(guò)程中采Solid 45單元和Solid 92單元進(jìn)行離散，彈簧在兩端扁平端尾端與工作端接口處采用Solid 92單元進(jìn)行離散，其余部分采用Solid 45單元進(jìn)行離散。彈簧共劃分87612個(gè)單元、57107個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖3所示。

圖3 一系鋼彈簧有限元模型

2.2 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

根據(jù)所研究的地鐵車(chē)輛實(shí)際參數(shù)建立各部件為剛性的車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。該地鐵車(chē)輛一系懸掛采用轉(zhuǎn)臂式定位結(jié)構(gòu)，一系鋼彈簧垂直安裝在軸箱外側(cè)彈簧座上。彈簧組上端設(shè)有彈簧板，下端設(shè)有橡膠墊，同時(shí)，橡膠墊與彈簧之間設(shè)有橡膠墊片，以達(dá)到增大摩擦力防止內(nèi)彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。在建模時(shí)，將一系鋼彈簧下端的橡膠墊簡(jiǎn)化為彈簧和阻尼單元進(jìn)行建模。

利用ANSYS對(duì)2.1節(jié)建立的一系鋼彈簧有限元模型進(jìn)行子結(jié)構(gòu)分析[14]，然后將生成的彈簧柔性模態(tài)信息導(dǎo)入SIMPACK生成一系鋼彈簧柔性體文件以實(shí)現(xiàn)可考慮一系鋼彈簧柔性的整車(chē)耦合動(dòng)力學(xué)模型的建立。其模型如圖4（a）所示，整個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)包含1個(gè)車(chē)體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)軸箱，以及相應(yīng)的一系懸掛和二系懸掛，總共50個(gè)自由度，其中車(chē)體、構(gòu)架和輪對(duì)分別考慮縱向、橫向、垂向、點(diǎn)頭、側(cè)滾、搖頭6個(gè)方向的自由度，軸箱考慮點(diǎn)頭1個(gè)方向的自由度。整個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)一系鋼彈簧考慮為柔性體，車(chē)體、構(gòu)架、輪對(duì)和軸箱考慮為剛性體，如圖4（b）所示。

車(chē)輪多邊形的設(shè)置方式為在列車(chē)一位輪對(duì)加入六階諧波車(chē)輪多邊形，如圖5所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖4 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

圖5 車(chē)輪多邊形示意圖

3 仿真結(jié)果

3.1 模態(tài)分析

為了研究一系鋼彈簧異常斷裂與其模態(tài)之間的關(guān)系，通過(guò)有限元對(duì)彈簧兩端約束狀態(tài)下的模態(tài)進(jìn)行了分析，得到了一系鋼彈簧前六階約束模態(tài)，如表2所示。可以看出，彈簧的一階垂向壓縮、縱向彎曲和橫向彎曲模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率分別為56.6、60.9和61.6 Hz，均在60 Hz附近。

表2 一系鋼彈簧前六階固有模態(tài)

3.2 動(dòng)應(yīng)力分析

為了分析一系鋼彈簧異常斷裂的原因，對(duì)一系鋼彈簧進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力的分析，在上文建立的車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型加入六階諧波車(chē)輪多邊形，使列車(chē)以90 km/h的速度在直線軌道上行駛。計(jì)算了彈簧在車(chē)輪有多邊形和無(wú)多邊形條件下的剪切動(dòng)應(yīng)力。在有多邊形工況時(shí)，多邊形在左右車(chē)輪同相位分布，多邊形由波峰至波谷的波深在左右車(chē)輪均為0.2 mm。

由于絕大多數(shù)彈簧在1.2圈位置發(fā)生斷裂，圖6給出了彈簧1.2圈處的剪切動(dòng)應(yīng)力時(shí)域和頻域結(jié)果。

圖6 彈簧1.2圈剪切動(dòng)應(yīng)力

從圖中可以看到，無(wú)多邊形條件下彈簧應(yīng)力幾乎不隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)。而在有多邊形條件下彈簧應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的周期性波動(dòng)，彈簧動(dòng)應(yīng)力明顯增大。從頻譜圖中可以看到，當(dāng)車(chē)輪存在多邊形時(shí)，彈簧動(dòng)應(yīng)力存在著明顯的57 Hz的主頻。由于在90 km/h的行車(chē)速度下該六階車(chē)輪多邊形的通過(guò)頻率為57 Hz，正好與彈簧的彈性模態(tài)對(duì)應(yīng)的約60 Hz的固有頻率接近，說(shuō)明該多邊形引起了彈簧的共振，導(dǎo)致彈簧動(dòng)應(yīng)力增大，進(jìn)而引起一系鋼彈簧發(fā)生疲勞斷裂。

4 一系鋼彈簧疲勞壽命分析

通過(guò)上文的分析可知，車(chē)輪多邊形對(duì)彈簧動(dòng)應(yīng)力有著顯著的影響，因此，在不同的車(chē)輪多邊形深度、階次和車(chē)輛運(yùn)行速度條件下一系鋼彈簧的疲勞壽命也是有所差異的。本文針對(duì)車(chē)輪多邊形激勵(lì)條件下一系鋼彈簧的疲勞失效展開(kāi)研究，采用Miner線性累積損傷理論來(lái)分析探討不同車(chē)輪多邊形工況對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響。

Miner線性累積損傷理論的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：n為第級(jí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；N為第級(jí)應(yīng)力下結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)的總循環(huán)次數(shù)；為應(yīng)力譜級(jí)數(shù)。

在考慮地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧柔性的整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型中采用實(shí)測(cè)車(chē)輪多邊形進(jìn)行計(jì)算得到彈簧的應(yīng)力時(shí)間載荷譜，然后根據(jù)材料的-曲線進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。通過(guò)調(diào)整疲勞強(qiáng)度因子K將彈簧疲勞壽命計(jì)算結(jié)果與彈簧實(shí)際壽命相符合來(lái)確定彈簧的疲勞強(qiáng)度因子。然后，在2.2節(jié)所建立的模型中采用不同的車(chē)輪多邊形深度、階次和車(chē)輛運(yùn)行速度等條件進(jìn)行模擬，并進(jìn)行相應(yīng)的彈簧疲勞壽命計(jì)算，研究車(chē)輪多邊形對(duì)地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧疲勞壽命的影響。

圖7為車(chē)輛運(yùn)行速度對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響。車(chē)輪多邊形為六階諧波車(chē)輪多邊形，波深為0.2 mm。從圖中可以看出，行車(chē)速度對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響很大。當(dāng)速度小于60 km/h時(shí)，彈簧壽命遠(yuǎn)大于彈簧的設(shè)計(jì)使用壽命200萬(wàn)公里。為便于展示，在圖7中將壽命截止顯示至彈簧的設(shè)計(jì)使用壽命200萬(wàn)公里。當(dāng)速度大于60 km/h時(shí)，一系鋼彈簧的疲勞壽命隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高逐漸降低，在速度為90 km/h時(shí)彈簧疲勞壽命達(dá)到一個(gè)極小值28.9萬(wàn)公里，不但顯著低于彈簧的設(shè)計(jì)使用壽命，而且也明顯低于80 km/h和100 km/h時(shí)的壽命。其原因是在90 km/h的運(yùn)行速度下，六階車(chē)輪多邊形的通過(guò)頻率為57 Hz（如式（1）所示），與一系鋼彈簧在60 Hz附近的固有頻率接近，導(dǎo)致一系鋼彈簧發(fā)生共振。彈簧長(zhǎng)期在共振條件下運(yùn)行導(dǎo)致疲勞失效，壽命顯著降低。因此，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，當(dāng)車(chē)輪存在某個(gè)特定階次的多邊形時(shí)應(yīng)適當(dāng)避開(kāi)導(dǎo)致車(chē)輪多邊形通過(guò)頻率與一系鋼彈簧固有頻率重合或接近的列車(chē)運(yùn)行速度。

圖7 車(chē)輛運(yùn)行速度對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響

圖8給出了車(chē)輪多邊形階次對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響，設(shè)置行車(chē)速度為90 km/h，波深0.2 mm。從圖中可以看出，在相同的波深條件下車(chē)輪多邊形階次較高（5～10階）時(shí)的一系鋼彈簧疲勞壽命總體上比車(chē)輪多邊形階次較低（1～4階）時(shí)的一系鋼彈簧疲勞壽命低。特別地，在車(chē)輪具有六階多邊形時(shí)存在一個(gè)一系鋼彈簧疲勞壽命的極小值，僅為28.9萬(wàn)公里，明顯低于其他多邊形階次下的疲勞壽命。其原因也同樣是因?yàn)榫哂辛A多邊形的車(chē)輪在90 km/h速度下的通過(guò)頻率與一系鋼彈簧的固有頻率接近，導(dǎo)致一系鋼彈簧發(fā)生共振。

圖9展示了當(dāng)車(chē)輪多邊形階次為六階，列車(chē)行駛速度為90 km/h時(shí)，車(chē)輪多邊形的波深為0.025～0.3 mm時(shí)對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響。從圖中可看出，隨著車(chē)輪多邊形波深的增加，一系鋼彈簧的疲勞壽命明顯降低。波深對(duì)一系鋼彈簧壽命的影響效果是非常顯著的，例如當(dāng)波深從0.15 mm增長(zhǎng)到0.3 mm時(shí)，波深增加了1倍，但一系鋼彈簧的壽命變?yōu)椴坏皆瓉?lái)的1/6。因此，車(chē)輛在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，應(yīng)當(dāng)控制車(chē)輪多邊形波深，防止波深過(guò)大導(dǎo)致彈簧過(guò)早斷裂。

為了研究彈簧座橡膠墊剛度對(duì)車(chē)輪多邊形激勵(lì)的隔振作用以及改善一系鋼彈簧壽命的措施，對(duì)彈簧座橡膠墊剛度對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖10所示。從圖中看出，隨著橡膠墊剛度的降低，彈簧的疲勞壽命逐漸提升。實(shí)際工作條件下橡膠墊剛度為7.1 MN/m，當(dāng)橡膠墊剛度下降到3 MN/m時(shí)，彈簧壽命從29.5萬(wàn)公里增加到81.7萬(wàn)公里，增加了1.82倍。說(shuō)明降低橡膠墊剛度能很好地對(duì)車(chē)輪存在多邊形時(shí)帶來(lái)的振動(dòng)沖擊起到隔振作用，增加彈簧的使用壽命。

圖8 階次對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響

圖9 波深對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響

圖10 橡膠墊剛度對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響

5 結(jié)論

針對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵線路車(chē)輛一系鋼彈簧異常斷裂的現(xiàn)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)車(chē)輪存在明顯的六階車(chē)輪多邊形，并通過(guò)彈簧動(dòng)應(yīng)力測(cè)試發(fā)現(xiàn)了車(chē)輪多邊形磨耗與一系鋼彈簧疲勞斷裂的聯(lián)系?；赟IMPACK和ANSYS相結(jié)合，建立了考慮一系鋼彈簧為柔性的剛?cè)狁詈宪?chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析了車(chē)輪多邊形對(duì)一系鋼彈簧疲勞壽命的影響。主要結(jié)論如下：

（1）在六階車(chē)輪多邊形的激勵(lì)下，當(dāng)＝90 km/h時(shí)，車(chē)輪多邊形的通過(guò)頻率與一系鋼彈簧的固有頻率接近，引發(fā)彈簧共振，導(dǎo)致彈簧振動(dòng)劇烈，動(dòng)應(yīng)力幅值增大導(dǎo)致疲勞斷裂，是造成彈簧異常斷裂的重要原因。

（2）相同的車(chē)輪多邊形階次條件下，隨著車(chē)速的提高，彈簧壽命總體逐漸降低，且在車(chē)輪多邊形通過(guò)頻率與一系鋼彈簧固有頻率接近的速度下，一系鋼彈簧壽命顯著降低，存在壽命的極小值。

（3）在相同的列車(chē)運(yùn)行速度條件下，車(chē)輪多邊形階次較高（5～10階）時(shí)的一系鋼彈簧疲勞壽命總體上比車(chē)輪多邊形階次較低（1～4階）時(shí)的一系鋼彈簧疲勞壽命低。且當(dāng)車(chē)輪多邊形通過(guò)頻率引發(fā)一系鋼彈簧共振時(shí)，其壽命顯著降低，存在壽命的極小值。

（4）車(chē)輪多邊形波深的增加可導(dǎo)致一系鋼彈簧的疲勞壽命顯著降低。

（5）彈簧座橡膠墊能對(duì)車(chē)輪多邊形帶來(lái)的振動(dòng)沖擊起到隔振作用。降低橡膠墊剛度可以增強(qiáng)這種隔振能力，起到增加彈簧使用壽命的作用。

[1]李偉，李言義，張雄飛，等. 地鐵車(chē)輛車(chē)輪多邊形的機(jī)理分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（18）：17-22.

[2]鄧永果. 車(chē)輪非圓化對(duì)高速車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2014.

[3]Johansson A, Nielsen J C O. Out-of-round railway wheels-wheel-rail contact forces and track response derived from field tests and numerical simulations[J]. InstnMech. Engrs，2003，217（2）：135-146.

[4]Snyder T, Stone D H, Kristan J. Wheel flat and out-of-round formation and growth[C]. //Rail Conference, Chicago: IEEE, 2003（1659）：143-148.

[5]鄒航宇，張衛(wèi)華，王志偉. 車(chē)輪多邊形化對(duì)高速列車(chē)齒輪箱體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響[J]. 機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2017（6）：52-56.

[6]張浩然. 車(chē)輪多邊形對(duì)高速列車(chē)振動(dòng)響應(yīng)和構(gòu)架疲勞壽命影響研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2018.

[7]Das S K， Mukhopadhyay N K，Kumar B R，et al. Failure analysis of a passenger car coil spring[J]. Eng Fail Anal，2007，14（1）：158-163.

[8]Prawoto Y，Ikeda M，Manville S K，et al. Designand failure modes of automotive suspension spring[J]. Eng Fail Anal，2008，15（8）：1155-1174.

[9]Maciejewski J，Akyuz B. Spring fatigue fractures due to microstructural service[J]. Journal of Failure Analysis and Prevention，2014，14（2）：148-151.

[10]王艷華，胡智博，任國(guó)強(qiáng)，等. 鐵路軸箱彈簧斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2017，53（7）：504-506.

[11]王文靜，李廣君，唐薇，等. 高速動(dòng)車(chē)組軸箱彈簧疲勞失效機(jī)理研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2015，37（6）：41-47.

[12]尹太國(guó)，李偉，張鵬，等. 地鐵車(chē)輛一系鋼彈簧中高頻動(dòng)態(tài)特性分析[J]. 機(jī)械，2019，46（6）：1-7.

[13]Cheng Zhou，Maoru Chi，Zefeng Wen，et al. An investigation of abnormal vibration-induced coil spring failure in metro vehicles[J]. Eng Fail Anal，2020（108）：1-13.

[14]包學(xué)海，池茂儒，楊飛. 子結(jié)構(gòu)分析中主自由度選取方法研究[J]. 機(jī)械，2009，36（4）：18-20.

Effects of Wheel Polygonization on the Service Life of the Primary Suspension Coil Spring of Metro Vehicles

HE Wei1，ZHANG Heji1，CHEN Shuai2，WU Lei3，WANG Hengyu1

( 1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Coil failures at low mileage due to fatigue fractures have been observed in a subway line in China. The research investigated the causes by studying the effects of wheel polygonization on the service life of the primary suspension coil spring of metro vehicles. Field measures showed that the wheels appear 6th-order polygonal wear and dynamic stress measurement of the coil spring, which indicated that the spring resonance excited by the polygonized wheel caused the failure of the spring. Given the flexibility of the primary coil spring, a numerical dynamic model was established by SIMPACK and ANSYS. The stress spectrum was obtained and the fatigue life of the spring was assessed using Miner theory. The results show that the fatigue life of the spring is significantly influenced by the order and depth of the wheel polygonization and the train speed. Furthermore, the fatigue life drops tremendously if the passing frequency matches the resonance frequency of the spring. Reducing the stiffness of the rubber pad beneath the spring would increase its life due to the higher vibration isolation effect.

metro vehicle；coil spring；wheel polygonization；fatigue life

TH135+.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.06.007

1006－0316 (2020) 06－0044－07

2020－02－18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51775454）；四川省區(qū)域創(chuàng)新合作項(xiàng)目（2020YFQ0024）

何偉（1993－），男，四川巴中人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檩嗆夑P(guān)系。

王衡禹（1979－），男，四川成都人，博士，副研究員、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檩嗆夑P(guān)系，E-mail：hengyu.wang@foxmail.com。