城轨车辆抗侧滚扭杆装置可靠性分析
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第18卷㊀第2期2020年6月南京工程学院学报(自然科学版)JournalofNanjingInstituteofTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.18ꎬNo.2Jun.ꎬ2020㊀㊀doi:10.13960/j.issn.1672-2558.2020.02.005投稿网址:http://xb.njit.edu.cn基于可靠性的铁道客车抗侧滚扭杆装置检修周期确定毛永文(四川铁道职业学院机车车辆系ꎬ四川成都611732)摘㊀要:利用Minitab数据统计分析软件对铁道客车抗侧滚扭杆装置加速寿命试验失效数据进行分析ꎬ拟合抗侧滚扭杆装置失效数据初步判定服从指数分布ꎬ进一步采用Bartlett值验证失效数据也服从指数分布.以此分布函数为基础进行可靠性分析ꎬ计算出抗侧滚扭杆装置失效率㊁可靠度㊁平均寿命㊁剩余寿命等参数.确定抗侧滚扭杆装置最佳的检查维修间隔时间是143hꎬ可以实现抗侧滚扭杆装置总预计检查维修费用最小化.关键词:抗侧滚扭杆装置ꎻ指数分布ꎻ检查维修ꎻ可靠性中图分类号:U271收稿日期:2020-04-16ꎻ修回日期:2020-05-03作者简介:毛永文ꎬ硕士ꎬ讲师ꎬ研究方向为铁道机车车辆可靠性.E ̄mail:myw_qq@126.com引文格式:毛永文.基于可靠性的铁道客车抗侧滚扭杆装置检修周期确定[J].南京工程学院学报(自然科学版)ꎬ2020ꎬ18(2):22-26.㊀㊀铁道客车转向架二系悬挂采用低垂向刚度的空气弹簧后ꎬ改善了车辆的垂向动力学性能ꎬ但也降低了车辆的抗侧滚刚度[1].在转向架的二系悬挂系统中加装一套抗侧滚扭杆装置[2]ꎬ利用弹性扭杆轴的反抗扭矩可有效减缓车辆的侧滚趋势ꎬ限制车体在运行中可能产生的较大的动态位移ꎬ而且不影响车体的摇头㊁横摆㊁浮沉㊁点头等运动[3].目前ꎬ对抗侧滚扭杆装置的研究主要集中在力学分析㊁疲劳特性分析㊁零部件故障原因分析等方面ꎬ而对抗侧滚扭杆装置最佳检查维修间隔时间问题研究较少.本文拟合抗侧滚扭杆装置失效数据概率分布模型ꎬ并以此进行可靠性分析ꎬ探究抗侧滚扭杆装置的失效率㊁可靠度㊁平均寿命㊁剩余寿命㊁最佳的检查维修间隔时间等ꎬ对构建抗侧滚扭杆装置视情维修方案(规程)具有指导意义.1㊀抗侧滚扭杆装置结构与功能列车运行过程中ꎬ车体在空间的振动主要有:1)侧滚ꎬ绕x轴的回转振动ꎻ2)伸缩ꎬ沿x轴的往复振动ꎻ3)点头ꎬ绕y轴的回转振动ꎻ4)横摆ꎬ沿y轴的往复振动ꎻ5)摇头ꎬ绕z铀的回转振动ꎻ6)浮沉ꎬ沿z铀的往复振动.浮沉㊁点头和伸缩主要是由波形线路引起的在铅垂面内的振动ꎻ横摆㊁摇头和侧滚主要是由轮对的锥形踏面引起的横向振动(或称侧向振动).这些振动一般是同时存在的ꎬ不过在不同条件下ꎬ有一两个振动是主要振动ꎬ其余的是不显著的振动.车体空间振动形式如图1所示.图1㊀车体空间振动抗侧滚扭杆装置主要由扭杆轴㊁扭臂㊁连杆㊁橡胶衬套组成[4].当客车车体发生侧滚时ꎬ车体会带动两个连杆运动ꎬ水平放置的两个扭臂对扭杆轴分别有一个相互反向的力与力矩的作用ꎬ导致扭杆产生扭转弹性塑性变形ꎻ扭杆轴的变形会产生一个与第18卷第2期毛永文:基于可靠性的铁道客车抗侧滚扭杆装置检修周期确定车体侧滚方向相反的力矩ꎬ从而对车体的侧滚起到约束作用[5]ꎬ而且不影响车体的摇头㊁横摆㊁浮沉㊁点头等运动.抗侧滚扭杆装置结构图2所示.图2㊀抗侧滚扭杆装置结构图2㊀可靠性分析基础知识可靠性是产品在规定的时间内和规定的条件下ꎬ完成规定功能的能力ꎬ而这种能力的表示通常归结于一个概率值ꎬ一般记为R(t)ꎬ这里t就是规定的时间.在现实情况下ꎬ产品在规定的条件和时间内失效常常符合某一种分布函数[6].在可靠性理论中ꎬ研究对象的故障分布有正态分布㊁指数分布㊁最小极值分布㊁威布尔分布等.加速寿命试验可以用来快速获得产品的寿命分布㊁失效率和可靠性信息[7].采用Bartlett值可以检验失效数据是否服从指数分布[7]ꎬ其统计量可以表示为㊀Br=2rlnTr()-1rðri=1lnti[]1+(r+1)/(6r)(1)式中:r为试验过程中所有的失效数ꎻT为所有失效时间之和ꎬT=ðri=1tiꎻBr为具有r-1个自由度的χ2分布统计量.如果Br的值落入置信度为100(1-α)%的双侧χ2检验的两个极值(下界极值是χ2(1-α)/2ꎬr-1ꎬ上界极值是χ2α/2ꎬr-1)之间ꎬ就不能拒绝失效模型为指数分布的假设.指数分布加速寿命试验中ꎬ基于非截尾数据ꎬ即可估计出在应力水平s下的失效率(产品每小时失效数ꎬ失效次数/h):㊀λs=nðni=1ti(2)式中:ti为第i个失效时间ꎻn为应力水平s下的试验产品总数.根据加速试验中产品的失效率ꎬ产品在正常工作条件下的失效率为:㊀λ0=λs/AF(3)式中ꎬAF为加速因子.在指数分布中ꎬ产品可靠度为:㊀R(t)=e-λt(4)式中ꎬλ为产品失效率.当单个子系统由n个组件并联组成ꎬ若有j个组件非连续失效ꎬ系统就不能正常工作ꎬ则单个子系统的可靠度为:㊀Rset(t)=ðnr=n-j+1nræèçöø÷pr(1-p)n-r(5)式中ꎬp为每个组件正常运行的概率.若整个系统由k个子系统串联组成ꎬ则整个系统的可靠度为:㊀R系统=ᵑkl=1Rset(t)(6)如果产品失效时间服从指数分布ꎬ则检测到产品故障时单位时间预计费用最小的最优检测时间是满足下式的最小值:㊀c(τ)=c1+c2τ1-e-λτ-c2λ(7)式中:c1为每次检修产品的费用ꎻc2为未检测到产品故障而造成的损失ꎻτ为故障检测检查时间间隔.3㊀抗侧滚扭杆装置可靠性分析3.1㊀拟合抗侧滚扭杆装置失效数据概率分布某铁道客车抗侧滚扭杆装置的设计载荷为76kNꎬ最高允许载荷为98kNꎬ设计寿命为100000h.某抗侧滚扭杆装置生产商对25组抗侧滚扭杆装置做了101kN下的加速寿命试验ꎬ失效数据见表1.㊀在可靠性工程中ꎬ产品的可靠性试验㊁现场使用和维修记录的数据是可靠性分析的基础ꎬ若数据能拟合成某一概率分布ꎬ则这个分布就能够运用于产品设计㊁制造和可靠性评估[8].32南京工程学院学报(自然科学版)2020年6月表1㊀抗侧滚扭杆装置失效时间统计h㊀㊀运用Minitab数据统计分析软件对抗侧滚扭杆装置失效数据进行概率分布拟合ꎬ在该软件中备选分布模型有威布尔分布㊁正态分布㊁指数分布等[9-10].图3为Minitab软件采用极大似然估计法绘制的抗侧滚扭杆装置失效数据概率分布拟合结果.(a)Weibull㊀(b)最小极值(c)正态㊀(d)指数图3㊀抗侧滚扭杆装置失效时间概率图表2㊀抗侧滚扭杆装置失效数据分析拟合AD统计量序号拟合分布模型AD统计量1Weibull1.0082最小极值2.2473正态2.0434指数1.005㊀㊀根据图3及表2可以看出ꎬ在常见的威布尔分布㊁正态分布㊁指数分布㊁最小极值分布中ꎬ指数分布的AD统计量为最小值1.005ꎬ且大于0.05ꎬ表示指数分布与数据拟合最好ꎬ因此可以初步得出结论:抗侧滚扭杆装置失效数据服从指数分布.用式(1)检验抗侧滚扭杆装置失效数据分布模型的有效性:㊀ð25i=1lnti=194.38㊀T=ðni=1ti=104879㊀Br=2ˑ25ln10487925æèçöø÷-125ˑ194.38[]1+26/(6ˑ25)=24.14在置信度α=0.10下ꎬ双侧检验的临界值为:χ20.95ꎬ24=13.8484ꎬχ20.05ꎬ24=36.4151.因13.8484ɤ24.14ɤ36.4151ꎬ所以进一步证明不能拒绝失效模型服从指数分布的假设.通过F检验进一步核查失效数据是否服从威布尔分布ꎬ经计算观测值与检验临界值ꎬ证明抗侧滚扭杆装置失效数据服从威布尔分布的条件ꎬ按照优中选优的原则ꎬ从F检验来看ꎬ威布尔分布观测值与检验临界值相差0.11ꎬ勉强满足条件ꎬ从分布概率图看威布尔分布AD检验值大于指数分布AD检验值ꎬ综合比较来看ꎬ失效数据服从指数分布.3.2㊀抗侧滚扭杆装置可靠性分析对过去8年抗侧滚扭杆装置运行失效数据分析表明ꎬ在设计载荷76kN的基础上再超过25kNꎬ抗侧滚扭杆装置就会减少一半的剩余寿命.在101kN的应力水平下ꎬ根据式(2)计算失效率为:㊀λ101kN=25104879=2.3837ˑ10-4(次/h)当抗侧滚扭杆装置在高于设计载荷25kN下运行时ꎬ抗侧滚扭杆装置寿命减少一半.因此ꎬ设计载荷76kN和加速试验载荷101kN之间的加速因子为25ꎬ由式(3)计算得:㊀λ78kN=2.3837ˑ10-425=9.53ˑ10-6(次/h)由式(4)计算单个抗侧滚扭杆装置的可靠度为:㊀R(t)=e-9.53ˑ10-6t正常运行条件下抗侧滚扭杆装置的平均寿命1/λ=104931h.假设抗侧滚扭杆装置已经运行了5年ꎬ由于指数分布的无记忆性ꎬ任何时刻其剩余寿命都是1/λ=104931h.42第18卷第2期毛永文:基于可靠性的铁道客车抗侧滚扭杆装置检修周期确定某铁道客车由16节车辆组成ꎬ每节车辆有2个转向架ꎬ每个转向架上安装2个抗侧滚扭杆装置.一旦某节车辆的4个抗侧滚扭杆装置3个非连续失效ꎬ本节车辆就不能正常工作.根据抗侧滚扭杆装置组成及工作原理ꎬ建立整车抗侧滚扭杆装置系统可靠性框图如图4所示.图4㊀整车抗侧滚扭杆装置系统可靠性框图通过求证以下失效模式可以得到一节车辆4个抗侧滚扭杆装置系统的可靠度.利用式(5)计算抗侧滚扭杆装置发生34失效的可靠度:㊀Rset(t)=ð4r=14ræèçöø÷(e-λt)r(1-e-λt)4-r=4e-9.53ˑ10-6t+2e-19.06ˑ10-6t-4e-28.59ˑ10-6t-e-39.12ˑ10-6t整列车由16节车辆串联组成ꎬ由式(6)计算整列车抗侧滚扭杆装置系统的可靠度为:㊀R系统=ᵑ16l=1Rset(t)=(4e-9.53ˑ10-6t+2e-19.06ˑ10-6t-4e-28.59ˑ10-6t-e-39.12ˑ10-6t)163.3㊀抗侧滚扭杆装置最佳检修周期确定我国铁道客车设备维修基本上采用传统的车辆检修模式ꎬ即按照运行里程和运行时间进行维修ꎬ一般包括状态维修㊁定期维修和故障维修三种维修方式[11].这种检查维修方式对工人的经验要求高ꎬ科学确定抗侧滚扭杆装置最佳检修周期具有很好的现场指导意义.根据系统可靠度ꎬ整列车抗侧滚扭杆装置系统的失效率λ=7.53ˑ10-5次/h.假设c2=900元ꎬc1=1200元ꎬ那么根据式(7)ꎬ得:㊀c(τ)=1200+900τ1-e-7.53ˑ10-5τ-9007.53ˑ10-5其中检测到故障时总预计费用最小的最优检测时间间隔为满足上式的最小值ꎬ即τ=143h.表明该列车抗侧滚扭杆装置系统应该以143h为周期进行检查维修ꎬ可以使总预计检修费用最小.4㊀结论本文通过拟合铁道客车抗侧滚扭杆装置失效数据概率分布函数ꎬ并以此为基础进行可靠性分析ꎬ得出结论:1)抗侧滚扭杆装置失效时间服从指数分布函数ꎬ正常运行情况下抗侧滚扭杆装置的平均寿命为104931hꎬ由于指数分布的无记忆性ꎬ所以任何时刻抗侧滚扭杆装置的剩余寿命都是104931h.2)依据现有统计数据ꎬ在只考虑经济因素的情况下ꎬ抗侧滚扭杆装置的最佳检查维修时间间隔为143hꎬ可以有效实现总预计检查维修费用最小化.参考文献:[1]㊀姜建东ꎬ付茂海ꎬ李芾.客车转向架抗侧滚扭杆装置特性分析[J].铁道机车车辆ꎬ2004(5):4-7.[2]㊀尹显戬ꎬ章鹏.轨道车辆抗侧滚扭杆装置的设计[J].电力机车与城轨车辆ꎬ2005(3):21-22ꎬ42.[3]㊀李永华ꎬ庞德辰ꎬ禹红杰.基于PDS模块的抗侧滚扭杆可靠性分析[J].大连交通大学学报ꎬ2014ꎬ35(6):36-39.[4]㊀卢翀ꎬ戴贤春ꎬ董博ꎬ等.动车组抗侧滚扭杆装置性能分析及试验研究[J].机械设计与制造工程ꎬ2019ꎬ48(2):107-110.[5]㊀毛永文.城轨车辆抗侧滚扭杆装置可靠性分析[J].电子世界ꎬ2014(3):200-201.[6]㊀金星ꎬ洪延姬ꎬ沈怀荣ꎬ等.可靠性数据计算及应用[M].北京:国防工业出版社ꎬ2003.[7]㊀ELSAYEDAE.可靠性工程:第2版[M].杨舟ꎬ译.北京:电子工业出版社ꎬ2013.[8]㊀赵宇.可靠性数据分析[M].北京:国防工业出版社ꎬ2011.[9]㊀毛永文ꎬ王国成ꎬ霍芳霄ꎬ等.城轨车辆车门系统可靠性分析[J].工程建设与设计ꎬ2019(13):109-111.[10]㊀吴令云ꎬ吴家祺ꎬ吴诚鸥ꎬ等.MINITAB软件入门:最易学实用的统计分析教程[M].北京:高等教育出版社ꎬ2012.[11]㊀潘丽莎ꎬ龚玲ꎬ冒玲丽.城市轨道交通车辆关键系统可靠性研究[J].城市轨道交通ꎬ2012(7):80-83.5262南京工程学院学报(自然科学版)2020年6月MaintenanceCycleDeterminedBasedontheReliabilityofAnti ̄rollTorsionBarofRailwayPassengerBogieMAOYong ̄wenLocomotiveandVehicleDepartment SichuanRailwayCollege Chengdu611732 ChinaAbstract Minitabdatastatisticalanalysissoftwareisusedtoanalyzefailuredataofanti ̄rolltorsionbarsandtheexponentialdistributionisdeterminedbyfittingthefailuredataofsuchbars.AndthenBartlettvalueisappliedtoverifywhetherthefailuredataobeystheexponentialdistribution.Basedonthisdistributionfunction reliabilityanalysisfortheanti ̄rolltorsionbarsiscarriedoutforpurposeofcalculatingparameterssuchasfailurerate reliability averagelife andremaininglifeofthebars.Itisdeterminedthattheoptimalmaintenancecycleforthosebarsis143hours andthetotalestimatedinspectionandmaintenancecostofthebarscanbeminimized.Keywords anti ̄rolltorsionbar theexponentialdistribution maintenance reliability。
轨道车辆抗侧滚扭杆结构与参数的设计及优化摘要:本文通过对抗侧滚扭杆功能原理的分析,建立了抗侧滚扭杆刚度数学模型,对抗侧滚扭杆的综合刚度进行了分析。
并以车辆运行平稳性及稳定性为考核指标,优化抗侧滚扭杆的刚度参数,得到刚度最优解。
最终对抗侧滚扭杆进行疲劳试验验证其强度满足运用要求。
关键词:抗侧滚扭杆结构强度参数优化疲劳试验为提升车辆运行平稳性,目前国内轨道车辆二系悬挂均选用空气弹簧,但随二系悬挂装置垂向刚度降低,也使车体抗侧滚能力下降,严重时导致车辆的外形尺寸超出限界。
为解决车辆侧滚问题,目前有增加空气弹簧跨距或增加抗侧滚扭杆两种解决方案,其中增加抗侧滚扭杆方案对车辆运行品质的提升更为明显。
本文从结构强度及参数优化两个方面,对轨道车辆抗侧滚扭杆进行优化,为抗侧滚扭杆的设计提供一定的指导意义。
1抗侧滚扭杆装置结构及原理图1 抗侧滚扭杆装置结构及工作原理抗侧滚扭杆结构如图1所示,通常由轴承座、扭臂、扭杆轴、连杆、节点组成。
其工作原理如下:根据图2所示,当车体发生侧滚时(即转向架上左右空气弹簧发生相反的垂向位移时),水平放置的两个连杆(扭臂)对于扭杆分别有一个相反的力和力矩的作用,使弹性扭杆承受扭矩而产生扭转弹性变形,起到扭杆弹簧的作用。
扭杆的反扭矩,总是与车体产生侧滚角角位移相反,起到抗侧滚的作用。
抗侧滚扭杆装置既增加二系中央悬挂装置的抗侧滚性能,又不影响二系悬挂装置中空气弹簧的垂向振动性能。
2抗测滚扭杆设计及参数优化2.1抗侧滚扭杆装置结构强度抗侧滚扭杆关键零部件材料性能见下表1:表1 抗侧滚扭杆关键零部件材料性能表扭杆的刚度包括扭杆本身的扭转刚度和由于安装了抗侧滚扭杆后车体(或摇枕)所增加的侧滚刚度(下称扭杆的侧滚刚度),在下面计算时先要算出扭杆的扭转刚度,然后再算出扭杆的侧滚刚度,扭杆的侧滚刚度按下式计算:式中:扭杆的名义长度;扭杆的扭转刚度;扭臂长:;剪切弹性模量:则抗侧滚扭杆刚度但是由于以下因素使扭杆侧滚刚度减小:1)连杆的上、下球铰使实际侧滚刚度减小:上下节点的刚度分别为:70KN/mm和52KN/mm,合成刚度为30KN/mm在力作用下调节连杆的变形为: f2)扭杆在力的作用下会发生弯曲,使实际侧滚刚度减小,其计算方法如下:可以简化扭杆为一根等截面杆,其外径为φ58mm,抗弯曲惯量:;作用下,A点向下:作用下,A点向上:则A点在力的作用下其位移为:扭杆实际侧滚刚度为:为了分析抗侧滚扭杆刚度对车辆动力学性能的影响,选取了6个刚度值(0.0 MNm/rad、0.5 MNm/rad、1.5 MNm/rad、2.0 MNm/rad、2.5 MNm/rad、3.0MNm/rad)。
CRH6A型动车组转向架抗侧滚扭杆异响问题及解决方案中车广东轨道交通车辆有限公司广东省江门市529100摘要:介绍了时速200公里CRH6A型动车组转向架抗侧滚扭杆在做动调试验时出现异响的问题,且对造成异响因素进行定性和试验分析,并提出了解决转向架抗侧滚扭杆运行中产生异响的措施,也在生产实践中得以验证。
此措施不仅解决了动车组转向架抗侧滚异响问题,也能保证了转向架的安全性能,进而提升了CRH6型动车组运行的可靠性。
关键词:时速200公里CRH6A型动车组;抗侧滚异响;原因分析;改进措施目前,我国高铁事业蓬勃发展,动车组运营速度从160km/h到350km/h逐步提升。
随着运营速度的提高,转向架承受的力矩增大,这就需要车辆转向架有较高的稳定性能,以提高动车组的安全性及旅客的乘坐舒适性。
因此提高动车组转向架稳定性能是一个必须引起重视的问题[1]。
时速200公里CRH6A型(以下简称为CRH6A-200型)动车组的转向架抗侧滚扭杆,装置结构设计、原材料选取、工艺处理、系统装配、型式试验等方面均按照动车组抗侧滚扭杆标准进行,结合末端镦粗、表面强化、浮动磨削等核心工艺,根据CRH6 型城际动车组对抗侧滚扭杆装置的要求开发,如图1 所示。
主要结构特点如下:①系统扭转刚度为 2.8 MN·m/rad;②采用扭杆轴穿横梁钢管结构,扭杆轴与扭转臂以过渡花键连接,端部通过螺栓紧固;③连杆组件上端节点采用橡胶球铰、下端节点采用橡胶杆端轴承,分别和连杆座、扭转臂连接,连杆长度可调,锁紧方式为螺母加上止动垫片;④支撑座组成包含支撑座、金属关节轴承GE60、卡环、等零部件,其中关节轴承内套与扭杆轴为过盈配合,外套与支撑座为间隙配合;⑤扭杆轴采用欧标材料52CrMoV4(EN 10089)并经过端部镦粗、表面喷丸强化工艺,提高其疲劳寿命;⑥扭转臂、连杆、支撑座均采用模锻+ 机加工的成形方式。
CRH6A-200型动车组在动调出现转向架抗侧滚扭杆异响问题,以下针对此问题进行较为详细的阐述和原因分析,并提出合理的改进措施。