车辆结构强度及可靠性基础

第1章绪论 1978年，国家领导人在乘坐日本新干线列车时说道：“就感觉到快，有催人跑的意思，我们现在正合适坐这样的车”。随后，由中华人民共和国铁道部（后文简称为铁道部）牵头和组织国内主机厂、行业院校及专家等共同开展了中国建设高速铁路的可行性论证，完成了《京沪高速铁路线路方案构想报告》。1998年起，经过一场持续了近10年的轮轨式高速铁路与磁悬浮列车优劣的大辩论，轮轨式高速铁路建设正式纳入了国家规划，并*终以2008年开通的京津高速铁路和同期开工的京沪高速铁路为这场争论暂时画上了句号。截至2022年底，中国高速铁路运营总里程已超过4.2万km，占世界2/3以上，*高运营速度350km/h。在短短20多年时间，中国高速铁路就从无到有、从全面落后到系统性领先，实现了在用规模和运营速度双世界**的华丽转身，取得了这场世界铁路颠覆性技术革命的阶段性胜利，形成了具有自主知识产权的先进高速铁路技术体系。逆袭的中国高速铁路不仅实现了中国的高铁梦和强国梦，而且铺就了中国发展和壮大之路。为了继续引领世界高速铁路技术，2021年，中国国家铁路集团有限公司（简称“国铁集团”）印发《“十四五”铁路科技创新规划》，正式启动“CR450科技创新工程”，研发更安全、更环保、更节能、更智能的持续速度400km/h复兴号新产品，为适应未来5G环境运营做准备。预计到2035年，我国高速铁路运营总里程达到7万km，50万人口以上城市高速铁路通达，建成世界规模*大、*发达的高速铁路网。 铁路运输车辆，尤其是高速列车系统装备，是现代化高质量综合立体交通体系的骨干和主要方式之一，其设计、建造和运用过程反映了一个国家整体科技的发展水平，成为衡量一个国家科技、文化、经济等综合实力的重要组成部分。按照用途来分，运输车辆有铁路客车、铁路机车和货运列车，无论哪一种车辆，都必须在专门铺设的轨道上运行。按照轨距的不同，运输车辆可分为标准（等于1435mm）车辆、宽轨（大于1435mm）车辆和窄轨（小于1435mm，常见的为1067mm和762mm）车辆。近年来，随着“一带一路”的提出与推进，又出现了一种变轨距车辆，将会极大地提高跨国联运的效率，大幅降低运输成本。除了主要轨道铺设在地面的交通运输车辆以外，还出现了一些新制式的“空中列车”，即高架线路形式的空轨车辆。例如，2016年由西南交通大学翟婉明院士领衔研制的新能源“空铁”试验车（图1.1）和2022年由江西省兴国县筹建的“红轨”磁悬浮空轨试验车。但是，轮轨式高速铁路和磁悬浮式列车均难以克服因速度提高带来的巨大能耗。为此，中国、欧洲和美国相继提出了速度1000km/h左右的“真空管道列车”的概念。这种向空中和地下延伸来分流地面交通的理念，恰恰体现了立体交通布局的设想，是国家综合交通网建造的*新发展方向。 由此可见，中国轨道交通在规模和速度上取得了世界领先的巨大成就，世界范围内新制式列车也推陈出新。2021年底，中国动车组的保有量近4200列标准组，货车拥有量近100万辆。 图1.1 基于熊猫形象的“空铁”试验车 动车组运营总里程近100亿km，每组年平均走行里程达到60万km。面对日趋庞大的高速铁路网与迅速增长的运行里程，超长寿命、极低成本、安全高效必然成为未来轨道交通车辆的重要发展方向与核心评估指标。其中，关键结构的强度及可靠性设计水平直接关系着高速车辆的运行性能与乘坐品质，是摆在当前中国高速铁路可持续发展面前的迫切课题。材料及结构的强度表示了其服役中能够抵抗外力或者变形的极限承载能力。在世界铁路发展史上，德国、日本、美国、澳大利亚等国家发生了多起车辆部件因为强度问题而引发的重特大人员伤亡事故。例如，1842年法国凡尔赛铁路车轴的断裂事故酿成近200人死亡的全球首例铁路大灾难；1998年，德国高铁ICE车轮的金属疲劳问题导致100余人死亡，是世界高铁史上*严重安全事故；2008年，以速度300km/h运行的德国高铁ICE3在科隆站附近因为车轴表面疲劳裂纹扩展导致列车脱轨，幸无人员伤亡；2011年，我国在役CRH380BL列车车轴由于内部缺陷超标导致动车组部分召回的事件；2017年，日本新干线列车运行中发生了转向架构架开裂和齿轮箱附近漏油的重大隐患事故，而仅仅5年后，新干线283系转向架又一次发现疲劳裂纹（深度达7mm）。这些由于车辆关键部件的疲劳损伤所引发的巨大安全隐患令人触目惊心，它们也是高铁系统安全的重要控制环节。图1.2为高速列车关键部件的疲劳断裂实例。 图1.2 高速列车关键部件的疲劳断裂实例 2018年，中国启动了川藏铁路规划，将修建世界上技术难度*大的“高原动车”，始于四川成都终于西藏拉萨，设计运行速度为200km/h，运行时间12h以内。作为“十四五”期间的重大战略工程，川藏铁路依次经过四川盆地、川西高山峡谷区、川西高山原区、藏东南横断山区、藏南谷地等地貌地区。这些复杂环境和地质条件是世界铁路史上未曾触及和极具挑战性的技术难题。轨道车辆在短时间内跨越漫长高山峡谷及超长隧道和桥梁，经历极寒、高温和腐蚀等极端复杂环境区间，运行中经历的*高温度和*低温度分别达到60℃以上和?40℃以下。确保关键结构在极端环境中状态良好及服役性能和寿命可控是川藏铁路车辆安全可靠运营的首要课题，也是“后高铁时代”轨道交通发展中亟待解决的至关重要的共性技术问题之一。加之运营在各种环境下的高速动车组列车，如极寒条件下的哈大高铁、高温条件下的环岛高铁、大风戈壁中的兰新高铁等，中国高速铁路在不断挺进艰难山区和生命禁区。这些极端复杂环境对车辆部件强度及可靠性提出了更高的系统性要求，也对车辆结构完整性构成了巨大挑战。 为了提高铁路车辆的运营安全，降低和预防事故风险，早在1850～1860年，德国机车工程师W?hler就提出了应力-寿命和疲劳极限的概念，*终形成疲劳S-N曲线（也称为W?hler曲线），成为当前工程结构抗疲劳设计的重要理论基础之一。随后，两次世界大战、英国“彗星号”客机及美国民兵导弹等发生的系列重大事故，使得工程师和科学家开始重视含缺陷金属结构的疲劳与断裂力学问题。因此，从另一个角度来讲，正是对铁路车辆结构强度及可靠性的系统研究才共同推进了断裂力学这一固体力学分支学科的发展。尽管如此，铁路车辆结构及可靠性评估中，主要的理论依据仍然是基于名义应力法的无限寿命设计，为了确保车辆服役安全，实际服役中引入周期性无损探伤技术。这便是现代铁路车辆抗疲劳评估中著名的“双保险”制度。 如前所述，面对在用规模庞大且仍在增加的铁路客车组网，车辆结构服役可靠性与运维保障已成为中心任务。按照动车组维护费用原计划，1列8辆编组的高速动车组每年维护费用高于1500万元，为其采购成本的10%左右，按此计算每年全路维护费用约为630亿元以上。长此以往，仅现役动车组维修一项耗费就严重阻碍了我国高速列车的健康发展，必然成为中国高铁发展的不可承受之重。从结构完整性角度来说，车辆更容易受到外部环境影响而发生服役损伤累积诱发的疲劳裂纹萌生和扩展现象，导致关键结构的基本功能、安全性及可靠性被严重削弱。从这一角度来看，结构失效可视为其完整性受到了破坏，并使得其固有设计功能无法得到发挥。为了降低铁路客车的运维成本，大力提高车辆使用效率，国铁集团2015年启动了修程修制改革，其核心是改革优化车辆的检修周期、标准和范围，避免过度修，防止失修，实现压缩调试停时，降低检修成本，提高检修运用效率。为了探明修程修制技术的理论规律，国铁集团还部署了一系列重大研究课题，明确提出在确保安全的前提下，以可靠性为中心，以经济性优化为目标，特别是针对制约整车修程修制优化的轴承、车轮、车轴等关键部件开展可靠性寿命、振动疲劳特性等方面的研究，建立一套科学的动车组及部件修程修制优化理论方法体系，陆续将动车组车轴、构架、齿轮箱等检修周期由定期探伤更换为状态检测与维修，已取得初步的经济社会效益。为此同时，我国铁路货车转向架和轮对等也探索开展了状态修项目，有效避免了仅依靠固定时间维修带来的“过度修”和“欠维修”，对于消除车辆安全隐患、降低车辆维修成本、提高车辆运用可靠性发挥了重要作用，是铁路货车检修方式的发展方向，也是实现铁路货车检修信息化、现代化的重要手段。 必须指出的是，无论是铁路客车的修程修制，还是货运列车的状态修，其核心任务是确定出一个合适、经济、统一的无损探伤周期。这里的统一是指某些关键结构的探伤周期*好能与车辆系统的探伤周期一致。举例来说，作为高速动车组的临界安全部件，感应淬火S38C车轴的磁粉探伤周期是60万km，但整车CRH2A/2B/2C1高级修里程是120万km，这种运用修制度不一致同样会导致“过度修”和“欠维修”问题。在铁路客车的修程修制和货运列车的状态修中，一个*新的进展是，以传统的名义应力法（无限寿命设计）和先进的断裂力学法（损伤容限设计）为共同的理论基础，然后综合试样级的疲劳试验、全尺寸的台架试验以及有限元分析结果，重视从系统动力学响应角度考察其对关键结构的振动疲劳应力传递规律，再充分考虑车辆制造水平和企业运用能力，以确保车辆运用安全和品质。 另外，开展现代车辆结构强度及可靠性评定或者结构完整性评定离不开数值仿真技术的参与。其中，有限元法和电子计算机的出现与结合使许多复杂的科学理论在技术上得以实现，极大地推动了铁路车辆服役性、安全可靠性研究的广度与深度，甚至已成为车辆工程专业学生的一门基础和必修课程。例如，当前几本与车辆结构强度分析有关的教材和专著中主要分析方法甚至是题目中都体现了“有限元”这一概念，包括1998年上海铁道学院（现同济大学铁道学院）成建民教授主编的《有限单元法及其在车辆强度计算中的应用》、2007年西南交通大学米彩盈教授编著的《铁道机车车辆结构强度》、2015年北京交通大学王文静教授主编的《轨道车辆强度基础》及2021年北京建筑大学杨建伟教授等撰写的《城市轨道交通车辆关键系统结构强度分析与计算》。可以毫不夸张地说，如果没有仿真技术的快速发展，车辆系统动力学与结构强度学就难以实现真正意义上的高效联合求解，车辆-轨道耦合动力学与高速列车大系统动力学等原创理论及其在中国高铁上的融合恐有一定推迟。为此，本书在典型结构评估中简单介绍有限元法的基本原理，提示读者在开展结构完整性评估中，要深刻理解模型边界条件和网格敏感性两个技术问题。 此外，本书还介绍了领域内一些*新的评估理论与技术进展。众所周知，传统工程结构的设计思想以材料及结构中不存在任何缺陷（包括宏观尺度、细观尺度和微观尺度）为基本前提，通过安全系数来控制结构的极限承载强度和安全可靠裕度。这种广受认可的名义应力设计与评估思想的研究对象是一个假想的“完整”结构。然而，包括铁路车辆在内的所有工程结构从制造、运输、安装、运用到维护，在任何一个环节都可能产生缺陷或者裂纹，目前也无可靠的技术手段完全避免和消除此类缺陷。相比而言，结构完整性是对含缺陷结构开展剩余强度及安全可靠性评定，其理论基础包括线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学、概率断裂力学、计算断裂力学，同时跨越了材料学、冶金学、固体力学、系统工程、可靠性工程等多个学科。由此可见，结构完整性（structuralintegrity）显然是具有实际工程意义的设计与评估思想上的一次重大进步，在有些领域中，也称为损伤容限（damagetolerance）方法。从这一角度来看，铁路车辆的修程修制改革和状态修实施中均一定程度上贯彻了“结构完整性”思想。为了加深对这一概念的理解，本书应用该思想对车辆转向架和车轴的强度及可靠性进行讲解。 具体地，第2章简单阐述现代铁路车辆的分类和用途、主要技术参数、关键结构部件及车辆结构的动力学性能；第3章和第4章作为本书的基本理论部分，对车辆结构强度及可靠性评估中的基本概念、方法及流程进行概述；第5章从系统角度介绍车辆结构动力学强度分析与评价中的基本方法和指标；第6章介绍当前铁路车辆结构服役评估中的一些新概念、新技术和新方法；为了加