轨道机车车体集中载荷静强度的试验技术探索

王浩然（2004-6），男，汉族，四川成都，大专，学生，西南交通大学希望学院，610400，机车结构

杨万舟（2004-8），男，汉，四川乐山，大专，学生，西南交通大学希望学院，610400， 机车结构

谢孟燚（2003-10），男，汉族，重庆巫山，大专，学生，西南交通大学希望学院，610400， 机车结构

田子何（2003-8），男，汉族，四川成都，大专，学生，西南交通大学希望学院，610400， 机车结构

摘要：轨道机车承载构件在集中载荷作用下的结构安全性直接关系到列车运行的可靠性。针对车体静强度试验中存在的测量精度和数据可靠性问题，本研究采用分布式光纤应变测量技术与有限元仿真相结合的方法，建立了包含传感器标定、零点漂移校正和数据双备份的全过程质量保证体系。通过构建精细化有限元模型并结合实测数据修正，使车体主要承载构件的应力误差控制在5%以内，位移偏差小于3mm。实验结果表明，在40吨集中载荷作用下，车体最大应力值为235MPa，位移量为3.6mm，模型计算精度达到96%以上，为轨道机车车体结构优化和安全评估提供了可靠的技术支持。

关键词：轨道机车车体；集中载荷；静强度试验；有限元分析；应变测量

轨道机车运输业的快速发展对车体结构安全性提出更高要求，车体承受的集中载荷成为影响整车性能和使用寿命的关键因素。载荷引起的应力集中和变形特征对车体结构完整性构成潜在威胁，相关的试验技术研究尚未形成完整的评价体系。本研究通过建立分布式光纤应变测量系统，采用500kN液压伺服作动器模拟实际工况，结合有限元分析技术深入探究车体在集中载荷作用下的力学响应机理。研究结果表明，应用多通道同步采集技术能够实现0.1mm级精度的全场应变测量，车体主要承载构件的应力和位移响应呈现良好的线性特征。该研究成果为轨道机车车体结构优化设计和安全性评估提供了可靠的技术支撑，对提升我国轨道交通装备制造水平具有重要意义。

1. 集中载荷静强度理论分析

1.1 集中载荷作用机制

集中载荷作用于轨道机车车体时，将产生复杂的应力分布状态，其作用机制主要体现在两个层面。在宏观层面，外部载荷通过支撑点传递至车体结构，在车体结构表面形成应力集中区域，并沿结构延伸，形成应力分布网络。局部应力集中可能导致结构变形或损伤，影响车体整体性能。

在微观层面，应力集中区域的材料会发生弹性或塑性变形。通过有限元分析和分布式光纤应变测量技术的应用，可对车体结构应力分布进行精确测量。研究表明，应力主要集中在载荷作用点周围，并呈现梯度递减的分布特征。载荷作用点处的应力值通常是其他区域的3-5倍，这种不均匀分布直接影响车体结构的疲劳寿命。

实际测试中，柴油发电机组产生的集中载荷会引起车体结构的局部变形。通过专门设计的静强度试验方法和提升加载系统，可以有效模拟这种载荷作用过程。实验数据显示，在额定载荷作用下，车体结构的应变值与理论计算结果的误差在5%以内，验证了载荷作用机制分析的准确性。

1.2 静强度评价指标

为确保轨道机车车体在集中载荷作用下的结构安全性，静强度评价需考虑多个关键指标。车体结构应力分布状态是评价的核心要素，通过分布式光纤应变测量技术，可实时监测各测点的应变数据。研究表明，载荷作用点周围应力值通常是其他区域的3-5倍，这种不均匀分布直接影响结构疲劳寿命。

载荷施加方式和载荷配置是评价的重要参数。采用专门设计的静强度试验方法和提升加载系统，模拟柴油发电机组等设备产生的集中载荷。实验数据显示，在额定载荷作用下，车体结构应变值与理论计算结果的误差控制在5%以内，验证了评价方法的可靠性。

为保证评价结果的科学性和可比性，测试方法的标准化也是关键指标之一。标准化内容应涵盖载荷配置、数据采集和分析方法等要素。通过有限元分析与实测数据的对比验证，建立了完整的静强度评价体系，为轨道机车车体结构设计和优化提供了重要依据。

1.3 力学模型构建

在轨道机车车体集中载荷静强度分析中，构建了基于连续弹性体力学的车体结构力学模型。模型以承载构架和车体侧墙为主要受力结构，考虑车体纵向、横向受载和车体板的弯曲变形。通过采用分布式光纤应变测量技术，获取车体关键受力点的变形数据，建立了车体结构变形分布函数。基于该模型，对车体进行了有限元分析，并建立了车体应力场与变形场的响应关系矩阵。通过迭代计算，获得了车体在集中载荷作用下的应力分布和变形云图。

模型结果显示，当施加40吨车体集中载荷时，车体最大应力集中区出现在车体侧墙与承载构架连接处，最大应力值为235MPa，位移量为3.6mm，满足车体结构设计要求。结合实测数据验证，力学模型的计算精度达到96%以上，为轨道机车车体的结构优化提供了理论依据。

2. 实验方案设计

2.1 试验标准依据

轨道机车车体集中载荷静强度试验需遵循国家铁路局发布的相关技术标准。结合运营实际，凡涉及机车结构及材料的设计与测试，须按照铁道行业标准2024年第1、2批相关公告作为主要依据。针对具体试验技术实施，采用分布式光纤应变测量技术对全机结构静强度进行实验评估。铁道行业标准轨道机车静强度试验技术指标要求如表2.1所示。

2.2 试验设备与系统

试验设备系统主要包括液压加载系统、支撑系统和测量系统三部分。液压系统采用500kN液压伺服作动器，配备高精度位移传感器和压力传感器。支撑系统由4组高刚度钢结构支座构成，确保试验精度。测量系统使用分布式光纤应变测量技术，配合高速数据采集系统，实现0.1mm级精度的全场应变测量。试验设备与系统主要技术参数如表2.2所示。

2.3 载荷工况设计

载荷工况设计是静强度试验结果优劣的重要影响因素。通过分析TB/T 3549.1-2019标准中关于机车车辆强度设计要求，结合车体结构特点，设计了静态载荷试验工况。采用分级加载方式施加预定载荷，在每级载荷下观察车体变形情况。基于静力学分析原理和车体运行受力特征，对垂向集中载荷、横向载荷和扭转载荷三种典型工况进行精细化设计，载荷数值和加载顺序按下表执行。静强度试验工况载荷设计参数表如表2.3所示。

2.4 数据采集方案

针对车体载荷实验的应变测量，本研究采取多通道应变采集系统，同时配备CAN总线的数据采集卡以确保数据传输的实时性和准确性。在每个测点位置安装电阻应变计120Ω、灵敏度2.0，采样频率设定为100Hz，并设置电子低通滤波器消除高频干扰。应变片布置遵循车体受力特点，重点关注车体梁、承重立柱等关键应力区域。

实验数据采集过程中，采用多点同步采集技术实现位移、加速度等参数的同步测量。建立专门的数据采集软件平台，实现实时数据显示、存储及初步分析功能。通过设置预警阈值，当测量数据超过设定范围时，系统自动报警并记录异常数据。

为保证数据的可靠性，实验前对传感器进行标定，采用标准载荷进行系统校验。在数据采集过程中，每间隔2小时进行一次零点漂移检查，若发现异常及时进行修正。数据存储采用双备份机制，建立数据文件命名规范，确保实验数据的完整性和可追溯性。

3. 有限元仿真与试验协同验证

3.1 仿真模型建立

以轨道机车车体为研究对象，运用CAE仿真技术构建了集中载荷作用下的有限元分析模型。在建模过程中，对车体结构的主梁、横梁、端墙、车顶等关键承载部件进行了精细化处理，选用四节点壳单元进行网格划分，网格尺寸控制在40-60mm之间。对焊接接缝、加强筋等局部结构采用了网格加密处理，以提高计算精度。车体材料采用Q345、Q235等车辆常用钢材，赋予了合理的材料属性和边界约束。载荷施加方面，重点模拟了车体中部区域的竖向集中载荷工况，设置4个加载点，每个加载点的载荷按照试验规范要求分段施加，以体现车体在不同荷载水平下的静强度响应特性。通过与实测数据的迭代校核，确保了仿真模型的准确性和可靠性。

3.2 结果对比分析

通过CAE仿真技术，针对轨道机车车体集中载荷静强度建立了有限元分析模型。基于车体结构特征，对主梁、横梁、端墙和车顶等关键承载部件采用四节点壳单元划分网格，网格尺寸控制在40-60mm之间。模型中对焊接接缝和加强筋等局部结构进行网格加密，提升计算精度。车体材料选用Q345、Q235等车用钢材，并合理设置材料属性与边界约束。载荷工况重点模拟了车体中部区域竖向集中载荷，在4个加载点按试验规范要求分阶施载。

将仿真结果与试验实测数据进行对比，关键测点的应力值偏差均在5%以内，变形量最大偏差为3.8%。应变测点数据对比显示，仿真分析较好地反映了车体在不同载荷水平下的变形规律和应力分布特征，验证了所建模型的有效性。

3.3 模型修正方法

本研究采用以材料特性、刚度特性和边界约束为修正参数的仿真建模方法。通过对结构响应、测试数据进行分部件的分析，建立模型修正参数的敏感度矩阵。在修正过程中，综合应用柔性模态法与动态数据校准技术，利用真实加载实验数据对仿真结果进行校正。经修正的模型在关键回归参数上取得了良好的效果，车体主要承载构件的应力水平误差控制在5%以内，位移响应的偏差小于3mm，满足了工程实际需求。轨道机车车体有限元模型修正参数及影响分析如表3.1所示。

4. 试验结果分析与讨论

通过数据采集系统对列车车体静态载荷试验进行实时监测，发现车体主要承载构件的应力水平和位移响应显示出良好的线性特征。试验数据表明，采用120Ω电阻应变计和100Hz采样频率的测量方案，有效保证了数据采集的准确性和可靠性。经过零点漂移校正和系统标定后，关键测点的测量误差控制在3%以内。

基于试验数据建立的有限元模型修正参数体系，通过材料特性、刚度特性和边界约束等参数的优化调整，使模型计算结果与实测数据达到良好的吻合。修正后的车体承载构件应力水平误差控制在5%以内，位移响应的偏差小于3mm，满足工程实际需求。

针对采集数据的质量控制，建立了包括传感器标定、零点漂移检查和数据双备份在内的全过程质量保证体系。实验过程中每2小时进行一次零点检查，及时发现和处理异常数据。通过CAN总线数据采集技术和多通道同步采集系统，实现了位移、加速度等参数的高精度同步测量，为后续数据分析提供了可靠基础。

参考文献

郭璇， 赫东海， 张向海， 等. 基于自适应优化控制的车体 垂向加载系统[J]. 铁道科学与工程学报， 2022， 19（5）：127-131.

石姗姗， 马嘉欣， 陈秉智， 等. Y 型蜂窝等效模型及蜂窝夹芯结构 车体的仿真分析[J]. 铁道科学与工程学报， 2024， 21（9）：77-79.

李宗伟. 基于非视距误差抑制的矿井轨道机车定位方法研究[J]. 矿山自动化， 2023， 49（7）：12-15.