一种铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法、设备及介质

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1.本发明涉及装备制造中铁道车辆转向架设计制造领域与计算机信息处理技术领域的交叉领域，具体涉及一种铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法、一种计算机设备以及一种计算机可读存储介质。

背景技术：

2.现有标准“en12663铁路设施-铁路车辆车身的结构要求”（可简称en12663标准）和标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”（可简称en13749标准）是针对欧洲铁路运行条件制定的车体及转向架构架强度规范。由于近年来中国铁路快速发展，中国高铁运营速度和总里程已经引领世界，在这种背景下基于欧系标准制定的车辆疲劳载荷系数在中国实际服役环境下的适用性不足。
3.en13749标准中规定，转向架构架主体疲劳载荷分为垂向疲劳载荷与横向疲劳载荷，其中垂向疲劳载荷需要考虑车体侧滚和浮沉的叠加。其中，标准垂向疲劳载荷定义方法为：f=(1+侧滚系数+浮沉系数)*fz/2。
4.关于静态部分fz。在现有的构架强度标准载荷中，构架垂向载荷均主要指转向架构架二系悬挂传递给转向架构架的载荷。en13749标准中均基于转向架以上的车体载荷来确定转向架构架的垂向载荷，运营载荷针对车体的负载考虑1.2的安全系数。转向架构架的垂向载荷计算方法如下：f
z1
=f
z2
=fz/2=((mv+1.2p
2-2m
+
)g)/4，f
z1
、f
z2
表示转向架左右侧梁所承受的垂向载荷，fz表示转向架构架所受的总垂向载荷，单位为千牛（kn），mv表示整备车辆质量，p2表示名义工作负载，m
+
表示转向架质量，g为重力加速度，取9.8m/s^2。
5.关于浮沉系数和侧滚系数。浮沉系数用于表示为车体浮沉产生的垂向动载荷占fz的百分比。en13749标准中给定的标准浮沉系数β为0.2，但并没有给出标准浮沉系数β的具体计算方法。侧滚系数用于表示为车体侧滚产生的垂向动载荷占fz的百分比，en13749标准中给定的标准侧滚系数为0.1，但同样没有给出标准侧滚系数α的计算方法。
6.可见，浮沉系数和侧滚系数是转向架构架主体垂向疲劳载荷定义的基础，浮沉系数和侧滚系数能否反映中国铁道车辆的运营条件，对转向架构架强度设计至关重要。然而，由于en13749标准等标准中均没有给出标准浮沉系数和标准侧滚系数的计算方法，导致难以对标准浮沉系数β和标准侧滚系数α的适用性进行评价，影响对en13749标准等标准规定的铁道车辆转向架疲劳载荷系数在中国实际服役环境下的适用性研究。

技术实现要素：

7.本发明提供了一种铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法、一种计算机设备以及一种计算机可读存储介质，以解决目前难以对对铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的标准浮沉系数β和标准侧滚系数α的适用性进行科学有效评价的技术问题。
8.根据本发明的第一个方面，提供了一种铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法，用于对铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的标准浮沉系数β和标准侧滚系数α进行评
价，包括：获取铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，所述实测随机浮沉系数时域数据反映实测随机浮沉系数β’随时间变化情况，所述实测随机侧滚系数时域数据反映实测随机侧滚系数α’随时间变化情况，所述实测随机浮沉系数β’=(a1(z)+a2(z))/2，所述实测随机侧滚系数α’=(a1(z)-a2(z))/2，其中，a1(z)和a2(z)分别为车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器采集得到的垂向加速度，所述垂向加速度的单位为g，g=9.8m/s^2；对所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据进行低通滤波，所述低通滤波以滤除所述实测随机浮沉系数时域数据中由车体局部弹性振动导致的垂向加速度对应的实测随机浮沉系数β’以及所述实测随机侧滚系数时域数据中由车体局部弹性振动导致的垂向加速度对应的实测随机侧滚系数α’，并以保留所述实测随机浮沉系数时域数据中由车体刚度加速度对应的实测随机浮沉系数β’以及所述实测随机侧滚系数时域数据中由车体刚度加速度对应的实测随机侧滚系数α’为目的；通过雨流计数法对低通滤波后的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据进行统计分析，然后分别得到实际浮沉系数分级载荷谱和实际侧滚系数分级载荷谱，所述实际浮沉系数分级载荷谱用于反映实际浮沉系数幅值与各级循环次数对应关系，所述实际侧滚系数分级载荷谱用于反映实际侧滚系数幅值与各级循环次数对应关系；利用所述实际浮沉系数分级载荷谱和所述实际侧滚系数分级载荷谱并通过等损伤原理计算得到基于标准载荷谱形状的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数；将所述实际浮沉等效载荷系数与所述标准浮沉系数β进行对比，根据所述标准浮沉系数β与所述实际浮沉等效载荷系数的比值对所述标准浮沉系数β进行评价，并且，将所述实际侧滚等效载荷系数与所述标准侧滚系数α进行对比，根据所述标准侧滚系数α与所述实际侧滚等效载荷系数的比值对所述标准侧滚系数α进行评价。
9.根据本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法的实施例，所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α分别为标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”中规定的标准浮沉系数β和标准侧滚系数α；所述标准载荷谱为标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”中规定的转向架构架疲劳载荷谱；所述利用所述实际浮沉系数分级载荷谱和所述实际侧滚系数分级载荷谱并通过等损伤原理计算得到基于标准载荷谱形状的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数包含：将所述实际浮沉系数分级载荷谱相关数据和所述实际侧滚系数分级载荷谱相关数据分别代入公式
∆feq
=｛[l
t
/(fdl1(n1+n2(1.2)^m+n3(1.4)^m))]∑(ni∆fi
^m)}^(1
⁄
m)计算得到浮沉等效载荷系数和侧滚等效载荷系数，其中，l
t
为安全运行公里数且具体取1500万公里，l1为所述实际浮沉系数分级载荷谱或所述实际侧滚系数分级载荷谱公里数，n为等效载荷循环次数1
×
107，
∆fi
^m为所述实际浮沉系数分级载荷谱中各级实际浮沉系数幅值或所述实际侧滚系数分级载荷谱中各级实际侧滚系数幅值，ni为所述实际浮沉系数分级载荷谱中各级循环次数或所述实际侧滚系数分级载荷谱中各级循环次数，fd为损伤系数且对应焊接结构母材及焊缝分别取1、0.5、0.3，m为s-n曲线参数且焊缝取3、母材取5，计算浮沉等效载荷系数时n1、n2和n3分别取600万次、200万次和200万次，计算侧滚等效载荷系数时n1、n2和n3分别取30万次、10万次和10万次。
[0010]
根据本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法的实施例，所述对所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据进行低通滤波包含：将所述实测
随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据中频率大于3hz的数据滤除。
[0011]
根据本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法的实施例，还包括对所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α的可信度进行预测，所述对所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α的可信度进行预测包含：通过雨流计数法对低通滤波后的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据进行统计分析，然后分别得到实测随机浮沉系数分布概率密度函数和实测随机侧滚系数分布概率密度函数，再通过所述实测随机浮沉系数分布概率密度函数和所述实测随机侧滚系数分布概率密度函数得到浮沉系数经验分布累计概率函数和侧滚系数经验分布累计概率函数，最后通过所述浮沉系数经验分布累计概率函数和所述侧滚系数经验分布累计概率函数分别预测所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α的可信度。
[0012]
根据本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法的实施例，若所述标准浮沉系数β与所述实际浮沉等效载荷系数的比值低于设定阈值和/或所述标准侧滚系数α与所述实际侧滚等效载荷系数的比值低于设定阈值，则给出提高所述标准浮沉系数β和/或所述标准侧滚系数α的修改建议。
[0013]
根据本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法的实施例，所述修改建议具体为将标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”中规定的标准侧滚系数α从0.1调整为0.15。
[0014]
根据本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法的实施例，选取多条不同铁道线路，分别获取所述多条不同铁道线路中各铁道线路上运行的铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，并计算得到所述多条不同铁道线路中各铁道线路一一对应的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数，将所述标准浮沉系数β与所述多条不同铁道线路中各铁道线路一一对应的实际浮沉等效载荷系数中的最大值的比值定义为浮沉系数安全裕度（可用符号s表示），将所述标准侧滚系数α与所述多条不同铁道线路中各铁道线路一一对应的实际侧滚等效载荷系数中的最大值的比值定义为侧滚系数安全裕度，通过浮沉系数安全裕度对所述标准浮沉系数β进行评价，通过侧滚系数安全裕度对所述标准侧滚系数α进行评价。
[0015]
根据本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法的实施例，分别获取所述多条不同铁道线路中各铁道线路上运行的处于新轮状态和处于磨耗轮状态的铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，并计算得到所述多条不同铁道线路中各铁道线路所述新轮状态和所述磨耗轮状态一一对应的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数，将所述标准浮沉系数β与所述多条不同铁道线路中各铁道线路所述新轮状态和所述磨耗轮状态一一对应的实际浮沉等效载荷系数中的最大值的比值定义为浮沉系数安全裕度，将所述标准侧滚系数α与所述多条不同铁道线路中各铁道线路所述新轮状态和所述磨耗轮状态一一对应的实际侧滚等效载荷系数中的最大值的比值定义为侧滚系数安全裕度，通过浮沉系数安全裕度对所述标准浮沉系数β进行评价，通过侧滚系数安全裕度对所述标准侧滚系数α进行评价。
[0016]
根据本发明的第二个方面，提供了一种计算机设备，包括处理器，所述处理器与存储器耦合，所述存储器用于存储计算机程序或指令，所述处理器用于执行存储器中的该计算机程序或指令，使得该计算机设备执上述第一方面的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价
方法。
[0017]
根据本发明的第三个方面，提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序或指令，所述计算机程序或指令被执行时，使得所述计算机执行上述第一方面的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法。
[0018]
通过试验表明，通过本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法对铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的标准浮沉系数β和标准侧滚系数α的评价结果反映出标准浮沉系数β和标准侧滚系数α总体具有较大的安全裕度，这与目前高速列车主体结构失效较少的事实高度吻合。此外，通过试验还表明，个别铁道线路（条件恶劣的线路）的铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的标准侧滚系数α偏小，充分说明本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法能够基于实测数据对转向架侧滚疲劳载荷系数的适用性进行有效评价。
[0019]
本发明的计算机设备和计算机可读存储介质实现了将本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法的进行计算机软件化。应用过程中，通过对中国铁道线路上运营的铁道车辆的大数据收集，然后将收集数据输入本发明的计算机设备进行数据处理分析，就可以获得铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的标准浮沉系数β和标准侧滚系数α的评价结果，以便于对上述标准浮沉系数β和标准侧滚系数α进行更准确可靠的评估以及更及时的修正。
[0020]
本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法为en13749标准等标准规定的铁道车辆转向架疲劳载荷系数在中国实际服役环境下的适用性研究提供了科学有效的研究工具，有利于进一步加强和提升高速列车这种关键核心装备的国产自主化研发能力和水平。
[0021]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0022]
构成本说明书一部分的附图用来辅助对相关实施例的理解，附图中所提供的内容及其在本说明书中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。
[0023]
图1为本发明实施例的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法中，车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器布置位置的示意图。
[0024]
图2为本发明实施例的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法中，通过车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器采集垂向加速度计算实测随机浮沉系数β’的示意图。
[0025]
图3为本发明实施例的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法中，通过车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器采集垂向加速度计算实测随机侧滚系数α’的示意图。
[0026]
图4为标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”规定的标准载荷谱形状示意图。
[0027]
图5为本发明试验例1中新轮对应的实际浮沉系数分级载荷谱和实际侧滚系数分级载荷谱。
[0028]
图6为本发明试验例1中磨耗轮对应的实际浮沉系数分级载荷谱和实际侧滚系数
分级载荷谱。
[0029]
图7为本发明试验例1中新轮对应的基于标准载荷谱形状的实际浮沉等效载荷系数。
[0030]
图8为本发明试验例1中新轮对应的基于标准载荷谱形状的实际侧滚等效载荷系数。
[0031]
图9为本发明试验例1中实测随机浮沉系数分布概率密度函数图。
[0032]
图10为本发明试验例1中浮沉系数经验分布累计概率函数图。
[0033]
图中标记为：车体1、构架2。图中的单位“g”为重力加速度，g=9.8m/s^2。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明技术方案。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：本说明书中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案、技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案、技术特征可以相互组合。
[0035]
下述说明中涉及到的内容通常仅涉及本发明的一部分实施例而不是全部实施例，因此，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0036]
本说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
[0037]
另外，还需指出，本发明中的相关数学公式，采用了线性表达方式，其中，符号“^”表示“上标”。
[0038]
本发明实施例的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法，用于对铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的标准浮沉系数β和标准侧滚系数α进行评价，包括以下步骤：步骤s1：获取铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，所述实测随机浮沉系数时域数据反映实测随机浮沉系数β’随时间变化情况，所述实测随机侧滚系数时域数据反映实测随机侧滚系数α’随时间变化情况，所述实测随机浮沉系数β’=(a1(z)+a2(z))/2，所述实测随机侧滚系数α’=(a1(z)-a2(z))/2，其中，a1(z)和a2(z)分别为车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器采集得到的垂向加速度，所述垂向加速度的单位为g（重力加速度），g=9.8m/s^2。
[0039]
图1为本发明实施例的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法中，车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器布置位置的示意图。图2为本发明实施例的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法中，通过车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器采集垂向加速度计算实测随机浮沉系数β’的示意图。图3为本发明实施例的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法中，通过车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器采集垂向加速度计算实测随机侧滚系数α’的示意图。如图1所示，坐标轴x表示铁道车辆车体1水平长度方向，坐标轴y表示铁道车辆车体1水平宽度方向。车体1枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器分布在图1中所示“测点1”和“测点2”标记的部位。如图2和图3所示，车体1的枕梁分别通过左、右侧空气弹簧支撑在转向架构架2上。
[0040]
如图1和图2所示，发明人基于对en13749标准的理解认识到，浮沉系数反映了左、
右侧空簧（这里的空簧即指上述空气弹簧）上部车体浮沉运动对转向架构架垂向动载荷的影响，因此，可以用车体空簧承载处的左、右侧垂向加速度平均值反映车体的浮沉运动，故实测随机浮沉系数β’可以表示为β’=(a1(z)+a2(z))/2。其中，a1(z)和a2(z)分别为车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器采集得到的垂向加速度。
[0041]
如图1和图3所示，由于车体枕梁空簧（这里的空簧即同样指上述空气弹簧）处垂向振动加速度主要由车体浮沉和车体侧滚导致，因此，理论上可以通过枕梁左右空簧处垂向振动加速度做差值，获得车体侧滚对垂向振动加速度的影响，即实测随机侧滚系数α’可以表示为α’=(a1(z)-a2(z))/2。其中，a1(z)和a2(z)分别为车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器采集得到的垂向加速度。
[0042]
图2和图3中标记的a1和a2，即分别表示为车体枕梁左、右侧空气弹簧上方加速度传感器采集得到的垂向加速度矢量。
[0043]
步骤s2：对所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据进行低通滤波，所述低通滤波以滤除所述实测随机浮沉系数时域数据中由车体局部弹性振动导致的垂向加速度对应的实测随机浮沉系数β’以及所述实测随机侧滚系数时域数据中由车体局部弹性振动导致的垂向加速度对应的实测随机侧滚系数α’，并以保留所述实测随机浮沉系数时域数据中由车体刚度加速度对应的实测随机浮沉系数β’以及所述实测随机侧滚系数时域数据中由车体刚度加速度对应的实测随机侧滚系数α’为目的。
[0044]
优选的，所述对所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据进行低通滤波包含：将所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据中频率大于3hz的数据滤除。经验表明，中国主要高速列车车体的平动加速度主要由车体浮沉、车体横移、车体纵向、车体侧滚、车体摇头和车体点头6个刚体模态决定，其分布的频率范围主要在2hz以内，受连挂后车钩和风挡的影响，车体摇头等模态可能达到2.5hz左右。大于10hz以上均为车体弹性振动导致，且桥梁通过频率引起的车体刚体运动也在2.5hz以内。为了尽可能只考虑车体刚度运动的影响，同时也尽量避免滤波范围把车体一些刚体模态频率成分过滤掉而出现非保守的结果，因此，在本发明中优选采用了3hz进行滤波。
[0045]
上述步骤得到的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据属于随机数据，而标准浮沉系数β和标准侧滚系数α是基于标准载荷谱，因此，本发明下面将会将随机数据建立随机载荷谱并转换为标准载荷谱的形状，得到实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数，从而再与标准浮沉系数β和标准侧滚系数α进行对比。
[0046]
步骤s3：通过雨流计数法对低通滤波后的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据进行统计分析，然后分别得到实际浮沉系数分级载荷谱和实际侧滚系数分级载荷谱，所述实际浮沉系数分级载荷谱用于反映实际浮沉系数幅值与各级循环次数对应关系，所述实际侧滚系数分级载荷谱用于反映实际侧滚系数幅值与各级循环次数对应关系。
[0047]
步骤s4：利用所述实际浮沉系数分级载荷谱和所述实际侧滚系数分级载荷谱并通过等损伤原理计算得到基于标准载荷谱形状的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数。
[0048]
可选的，所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α分别为标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”中规定的标准浮沉系数β和标准侧滚系数
α；所述标准载荷谱为标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”中规定的转向架构架疲劳载荷谱（如图4所示）；则，所述利用所述实际浮沉系数分级载荷谱和所述实际侧滚系数分级载荷谱并通过等损伤原理计算得到基于标准载荷谱形状的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数包含：将所述实际浮沉系数分级载荷谱相关数据和所述实际侧滚系数分级载荷谱相关数据分别代入公式
∆feq
=｛[l
t
/(fdl1(n1+n2(1.2)^m+n3(1.4)^m))]∑(ni∆fi
^m)}^(1
⁄
m)计算得到浮沉等效载荷系数和侧滚等效载荷系数，其中，l
t
为安全运行公里数且具体取1500万公里，l1为所述实际浮沉系数分级载荷谱或所述实际侧滚系数分级载荷谱公里数，n为等效载荷循环次数1
×
107，
∆fi
^m为所述实际浮沉系数分级载荷谱中各级实际浮沉系数幅值或所述实际侧滚系数分级载荷谱中各级实际侧滚系数幅值，ni为所述实际浮沉系数分级载荷谱中各级循环次数或所述实际侧滚系数分级载荷谱中各级循环次数，fd为损伤系数且对应焊接结构母材及焊缝分别取1、0.5、0.3，m为s-n曲线参数且焊缝取3、母材取5，计算浮沉等效载荷系数时n1、n2和n3分别取600万次、200万次和200万次，计算侧滚等效载荷系数时n1、n2和n3分别取30万次、10万次和10万次。
[0049]
图4为标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”规定的标准载荷谱形状。如图4所示，针对en13749转向架构架疲劳载荷谱，其一般定义为三阶段载荷谱，垂向载荷的总循环次数为1000万次，第一阶段为600万次，第二阶段载荷系数增大到1.2倍作用200万次，第三阶载荷系数增大到1.4倍作用200万次。en13749标准中规定浮沉载荷每循环10-20次，侧滚载荷反向1次；因此在1000万次总循环次数中，侧滚载荷循环50-100万次，浮沉载荷循环1000万次。
[0050]
需说明的是，上述公式
∆feq
=｛[lt/(fdl1(n1+n2(1.2)^m+n3(1.4)^m))]∑(ni∆fi
^m)}^(1
⁄
m)基于下述方法得到的。
[0051]
基于en12663标准和en13749标准对铁道车辆车体和转向架构架的设计，均属于无限寿命设计；即在标准载荷谱作用下，关键位置应力循环幅值小于材料的疲劳极限；对于疲劳试验，要求在标准载荷谱作用下，结构不产生裂纹。当满足以上要求，则认为结构满足无限寿命设计要求。此处的无限寿命具体对应多少年服役寿命，标准和现有的运营经验没有严格的定义。只是在目前行业的经验和铁总的采购技术规范中，规定车辆的服役寿命要求为30年，因此行业就将无限寿命的时间对应为30年。
[0052]
在本项目的研究中遵循这个默认规定，即在设计载荷谱作用下满足设计要求，即代表其具有至少30年服役寿命。同时，认为30年服役寿命，车辆的运营里程为1500万公里。为此，本项目需要将实测服役载荷谱扩展到1500万公里，然后利用等损伤原理得到基于设计载荷谱形状的等效载荷系数。
[0053]
对于在运行里程l1中获得的随机载荷谱，其造成的损伤可以表示为：d1=∑i(ni/ni)=∑i[(ni∆fi
^m)/c]上式中：ni为各级载荷循环次数；c和m为s-n曲线的参数（可参考iiw标准确定m和c的取值）。
[0054]
那么对于运行里程为l
t
=1500万公里，其损伤可以表示为：d=(l
t
/l1)d1利用损伤一致的原则，可以将随机载荷谱转换为等效载荷幅值
∆feq
作用n次，结构产生的损伤为d，则：
d=(n
∆feq
^m)/c为此，可以表示为：(n
∆feq
^m)/c=(l
t
/l1)∑i[(ni∆fi
^m)/c]等效载荷可以计算得到：
∆feq
=｛[l
t
/(nl1)]∑(ni∆fi
^m)}^(1
⁄
m)在现有fkm标准（fkm guideline analytical steength assessment of components）和iiw标准（
ⅹⅲ‑
1539-07/xv-1254r4-07 iiw document recommendations for fatigue design of welded joints and components）中，为了考虑加工等不确定带来的影响，一般认为针对焊接接头总损伤达为0.5，而母材总损伤0.3。因此为了考虑这种不确定性，引入损伤系数fd，则等效载荷可以表示为：
∆feq
=｛[l
t
/(fdnl1)]∑(ni∆fi
^m)}^(1
⁄
m)上式中：l
t
为安全运行公里数，考虑安全运营30年，运营里程取1500万公里；l1为实测载荷谱公里数；n为等效载荷循环次数1
×
107；
∆fi
^m为各级载荷幅值；ni为各级应力循环次数；fd为损伤系数，对应焊接结构母材及焊缝分别取1、0.5、0.3；m为s-n曲线参数，焊缝取3，母材取5。
[0055]
对于浮沉和侧滚系数，则需要考虑疲劳试验的3个阶段：(n1∆feq
^m)/c+[n2(1.2
∆feq
)^m)]/c+[n2(1.2
∆feq
)^m)]/c=[l
t
/(fdl1)]∑
i [(ni∆fi
^m)/c]由此，进一步得到以下公式：
∆feq
=｛[l
t
/(fdl1(n1+n2(1.2)^m+n3(1.4)^m))]∑(ni∆fi
^m)}^(1
⁄
m)其中，对于浮沉系数，n1、n2和n3分别为600万次、200万次和200万次；考虑浮沉载荷每循环20次侧滚载荷改变一次方向，则对于侧滚系数n1、n2和n3分别为30万次、10万次和10万次。
[0056]
步骤s5：将所述实际浮沉等效载荷系数与所述标准浮沉系数β进行对比，根据所述标准浮沉系数β与所述实际浮沉等效载荷系数的比值对所述标准浮沉系数β进行评价，并且，将所述实际侧滚等效载荷系数与所述标准侧滚系数α进行对比，根据所述标准侧滚系数α与所述实际侧滚等效载荷系数的比值对所述标准侧滚系数α进行评价。
[0057]
可选的，上述铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法还可以包括对所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α的可信度进行预测，所述对所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α的可靠性进行评价包含：通过雨流计数法对低通滤波后的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据进行统计分析，然后分别得到实测随机浮沉系数分布概率密度函数和实测随机侧滚系数分布概率密度函数，再通过所述实测随机浮沉系数分布概率密度函数和所述实测随机侧滚系数分布概率密度函数得到浮沉系数经验分布累计概率函数和侧滚系数经验分布累计概率函数，最后通过所述浮沉系数经验分布累计概率函数和所述侧滚系数经验分布累计概率函数分别预测所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α的可信度。
[0058]
可选的，上述铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法中，若所述标准浮沉系数β与所述实际浮沉等效载荷系数的比值低于设定阈值和/或所述标准侧滚系数α与所述实际侧滚等效载荷系数的比值低于设定阈值，则给出提高所述标准浮沉系数β和/或所述标准侧滚系数α的修改建议。
[0059]
可选的，上述铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法中，选取多条不同铁道线路，分别获取所述多条不同铁道线路中各铁道线路上运行的铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，并计算得到所述多条不同铁道线路中各铁道线路一一对应的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数，将所述标准浮沉系数β与所述多条不同铁道线路中各铁道线路一一对应的实际浮沉等效载荷系数中的最大值的比值定义为浮沉系数安全裕度，将所述标准侧滚系数α与所述多条不同铁道线路中各铁道线路一一对应的实际侧滚等效载荷系数中的最大值的比值定义为侧滚系数安全裕度，通过浮沉系数安全裕度对所述标准浮沉系数β进行评价，通过侧滚系数安全裕度对所述所述标准侧滚系数α进行评价。
[0060]
可选的，分别获取所述多条不同铁道线路中各铁道线路上运行的处于新轮状态和处于磨耗轮状态的铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，并计算得到所述多条不同铁道线路中各铁道线路所述新轮状态和所述磨耗轮状态一一对应的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数，将所述标准浮沉系数β与所述多条不同铁道线路中各铁道线路所述新轮状态和所述磨耗轮状态一一对应的实际浮沉等效载荷系数中的最大值的比值定义为浮沉系数安全裕度，将所述标准侧滚系数α与所述多条不同铁道线路中各铁道线路所述新轮状态和所述磨耗轮状态一一对应的实际侧滚等效载荷系数中的最大值的比值定义为侧滚系数安全裕度，通过浮沉系数安全裕度对所述标准浮沉系数β进行评价，通过侧滚系数安全裕度对所述所述标准侧滚系数α进行评价。
[0061]
本发明实施例的一种计算机设备，包括处理器，所述处理器与存储器耦合，所述存储器用于存储计算机程序或指令，所述处理器用于执行存储器中的该计算机程序或指令，使得该计算机设备执行上述铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法。
[0062]
处理器可以包括中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)、微处理器、特定集成电路(application special integrated circuit，asic)、微控制器(mcu)、现场可编程门列(fpga)或者用于实现逻辑运算的一个或多个集成电路。处理器可以用于为上述计算机设备实现所需的功能，例如用于对整个计算机设备进行控制、执行软件程序、处理软件程序的数据等。所述软件可以是用于实施本发明上述铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法的软件。
[0063]
存储器可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器可包括硬盘驱动器(hard disk drive，hdd)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(universal serial bus，usb)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器可在处理器的内部或外部。在特定实施例中，存储器是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器包括只读存储器(rom)；在合适的情况下，该rom可以是掩模编程的rom、可编程rom(prom)、可擦除prom(eprom)、电可擦除prom(eeprom)、电可改写rom(earom)或闪存或者两
个或更多个以上这些的组合。
[0064]
本发明实施例的一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序或指令，所述计算机程序或指令被执行时，使得所述计算机执行上述铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法。
[0065]
上述计算机设备和计算机可读存储介质实现了将本发明的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法的进行计算机软件化。应用过程中，通过对中国铁道线路上运营的铁道车辆的大数据收集，然后将收集数据输入本发明的计算机设备进行数据处理分析，就可以获得铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的标准浮沉系数β和标准侧滚系数α的评价结果，以便于对上述标准浮沉系数β和标准侧滚系数α进行更准确可靠的评估以及更及时的修正。
[0066]
试验例1选取铁道线路1，获取铁道线路1上运行的处于新轮状态和处于磨耗轮状态的铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，对所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据进行低通滤波，然后通过雨流计数法对低通滤波后的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据进行统计分析，分别得到实际浮沉系数分级载荷谱和实际侧滚系数分级载荷谱（详见图5和图6，其中“侧滚系数”曲线即为实际侧滚系统，“浮沉系数”即为实际浮沉系数），利用所述实际浮沉系数分级载荷谱和所述实际侧滚系数分级载荷谱并通过等损伤原理计算得到基于标准载荷谱形状的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数（详见图7和图8）。
[0067]
结果表明：车轮新轮和磨耗轮状态下，实际浮沉等效载荷系数小于en13749标准中定义的标准浮沉系数0.2；实际侧滚等效载荷系数小于en13749标准中定义的标准侧滚系数0.1。
[0068]
此外，试验例1还包括：通过雨流计数法对低通滤波后的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据进行统计分析，然后分别得到实测随机浮沉系数分布概率密度函数（如图9所示）和实测随机侧滚系数分布概率密度函数，再通过所述实测随机浮沉系数分布概率密度函数和所述实测随机侧滚系数分布概率密度函数得到浮沉系数经验分布累计概率函数（如图10所示）和侧滚系数经验分布累计概率函数，最后通过所述浮沉系数经验分布累计概率函数和所述侧滚系数经验分布累计概率函数分别预测所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α的可信度。
[0069]
试验例2选取铁道线路2（该铁道线路2属于条件恶劣的线路），获取铁道线路2上运行的处于新轮状态和处于磨耗轮状态的铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，对所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据进行低通滤波，然后通过雨流计数法对低通滤波后的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据进行统计分析，分别得到实际浮沉系数分级载荷谱和实际侧滚系数分级载荷谱，利用所述实际浮沉系数分级载荷谱和所述实际侧滚系数分级载荷谱并通过等损伤原理计算得到基于标准载荷谱形状的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数。
[0070]
结果表明：在新轮情况下，铁道线路2对应的实际侧滚等效载荷系数（具体为：损伤系数为1的实际侧滚等效载荷系数为0.13，损伤系数为0.5的实际侧滚等效载荷系数为0.17，损伤系数为0.3的实际侧滚等效载荷系数为0.1）要显著大于磨耗轮状态。取损伤系数为0.5的实际侧滚等效载荷系数0.17，将en13749标准中定义的标准侧滚系数0.1与0.17的比值为安全裕度s，此时，安全裕度s小于1。在磨耗轮情况下等效侧滚系数降低，这主要是由于新轮情况下轮轨匹配等效锥度较低，车辆在某些路段容易发生低频晃车现象，从而导致较大的侧滚载荷系数。由此可见，侧滚载荷系数与车辆状态具有较大的相关性，针对车辆的设计需要考虑车辆动力学性能的特点，对侧滚载荷系数进行适当调整，以提高侧滚载荷系数的安全裕量。修改建议具体为将标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”中规定的标准侧滚系数α从0.1调整为0.15。
[0071]
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本说明书的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

技术特征：

1.一种铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法，用于对铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的标准浮沉系数β和标准侧滚系数α进行评价，其特征在于，包括：获取铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，所述实测随机浮沉系数时域数据反映实测随机浮沉系数β’随时间变化情况，所述实测随机侧滚系数时域数据反映实测随机侧滚系数α’随时间变化情况，所述实测随机浮沉系数β’=(a1(z)+a2(z))/2，所述实测随机侧滚系数α’=(a1(z)-a2(z))/2，其中，a1(z)和a2(z)分别为车体枕梁空气弹簧左、右侧加速度传感器采集得到的垂向加速度，所述垂向加速度的单位为g，g=9.8m/s^2；对所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据进行低通滤波，所述低通滤波以滤除所述实测随机浮沉系数时域数据中由车体局部弹性振动导致的垂向加速度对应的实测随机浮沉系数β’以及所述实测随机侧滚系数时域数据中由车体局部弹性振动导致的垂向加速度对应的实测随机侧滚系数α’，并以保留所述实测随机浮沉系数时域数据中由车体刚度加速度对应的实测随机浮沉系数β’以及所述实测随机侧滚系数时域数据中由车体刚度加速度对应的实测随机侧滚系数α’为目的；通过雨流计数法对低通滤波后的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据进行统计分析，然后分别得到实际浮沉系数分级载荷谱和实际侧滚系数分级载荷谱，所述实际浮沉系数分级载荷谱用于反映实际浮沉系数幅值与各级循环次数对应关系，所述实际侧滚系数分级载荷谱用于反映实际侧滚系数幅值与各级循环次数对应关系；利用所述实际浮沉系数分级载荷谱和所述实际侧滚系数分级载荷谱并通过等损伤原理计算得到基于标准载荷谱形状的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数；将所述实际浮沉等效载荷系数与所述标准浮沉系数β进行对比，根据所述标准浮沉系数β与所述实际浮沉等效载荷系数的比值对所述标准浮沉系数β进行评价，并且，将所述实际侧滚等效载荷系数与所述标准侧滚系数α进行对比，根据所述标准侧滚系数α与所述实际侧滚等效载荷系数的比值对所述标准侧滚系数α进行评价。2.如权利要求1所述的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法，其特征在于：所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α分别为标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”中规定的标准浮沉系数β和标准侧滚系数α；所述标准载荷谱为标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”中规定的转向架构架疲劳载荷谱；所述利用所述实际浮沉系数分级载荷谱和所述实际侧滚系数分级载荷谱并通过等损伤原理计算得到基于标准载荷谱形状的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数包含：将所述实际浮沉系数分级载荷谱相关数据和所述实际侧滚系数分级载荷谱相关数据分别代入公式
∆
f
eq
=｛[l
t
/(f
d
l1(n1+n2(1.2)^m+n3(1.4)^m))]∑(n
i
∆
f
i
^m)}^(1
⁄
m)计算得到浮沉等效载荷系数和侧滚等效载荷系数，其中，l
t
为安全运行公里数且具体取1500万公里，l1为所述实际浮沉系数分级载荷谱或所述实际侧滚系数分级载荷谱公里数，n为等效载荷循环次数1
×
107，
∆
f
i
^m为所述实际浮沉系数分级载荷谱中各级实际浮沉系数幅值或所述实际侧滚系数分级载荷谱中各级实际侧滚系数幅值，n
i
为所述实际浮沉系数分级载荷谱中各级循环次数或所述实际侧滚系数分级载荷谱中各级循环次数，f
d
为损伤系数且对应焊接结构母材及焊缝分别取1、0.5、0.3，m为s-n曲线参数且焊缝取3、母材取5，计算浮沉等效
载荷系数时n1、n2和n3分别取600万次、200万次和200万次，计算侧滚等效载荷系数时n1、n2和n3分别取30万次、10万次和10万次。3.如权利要求1所述的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法，其特征在于：所述对所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据进行低通滤波包含：将所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据中频率大于3hz的数据滤除。4.如权利要求1所述的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法，其特征在于：还包括对所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α的可信度进行预测，所述对所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α的可信度进行预测包含：通过雨流计数法对低通滤波后的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据进行统计分析，然后分别得到实测随机浮沉系数分布概率密度函数和实测随机侧滚系数分布概率密度函数，再通过所述实测随机浮沉系数分布概率密度函数和所述实测随机侧滚系数分布概率密度函数得到浮沉系数经验分布累计概率函数和侧滚系数经验分布累计概率函数，最后通过所述浮沉系数经验分布累计概率函数和所述侧滚系数经验分布累计概率函数分别预测所述标准浮沉系数β和所述标准侧滚系数α的可信度。5.如权利要求1-4中任意一项权利要求所述的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法，其特征在于：若所述标准浮沉系数β与所述实际浮沉等效载荷系数的比值低于设定阈值和/或所述标准侧滚系数α与所述实际侧滚等效载荷系数的比值低于设定阈值，则给出提高所述标准浮沉系数β和/或所述标准侧滚系数α的修改建议。6.如权利要求5所述的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法，其特征在于：所述修改建议具体为将标准“en13749-2011铁路应用，轮对和转向架规定：转向架构架的要求”中规定的标准侧滚系数α从0.1调整为0.15。7.如权利要求1-4中任意一项权利要求所述的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法，其特征在于：选取多条不同铁道线路，分别获取所述多条不同铁道线路中各铁道线路上运行的铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，并计算得到所述多条不同铁道线路中各铁道线路一一对应的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数，将所述标准浮沉系数β与所述多条不同铁道线路中各铁道线路一一对应的实际浮沉等效载荷系数中的最大值的比值定义为浮沉系数安全裕度，将所述标准侧滚系数α与所述多条不同铁道线路中各铁道线路一一对应的实际侧滚等效载荷系数中的最大值的比值定义为侧滚系数安全裕度，通过浮沉系数安全裕度对所述标准浮沉系数β进行评价，通过侧滚系数系数安全裕度对所述标准侧滚系数α进行评价。8.如权利要求1-4中任意一项权利要求所述的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法，其特征在于：选取多条不同铁道线路，分别获取所述多条不同铁道线路中各铁道线路上运行的处于新轮状态和处于磨耗轮状态的铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据，并计算得到所述多条不同铁道线路中各铁道线路所述新轮状态和所述磨耗轮状态一一对应的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数，将所述标准浮沉系数β与所述多条不同铁道线路中各铁道线路所述新轮状态和所述磨耗轮状态一一对应的实际浮沉等效载荷系数中的最大值的比值定义为浮沉系数安全裕度，将所述标准侧滚系数α与所述多条不同铁道线路中各铁道线路所述新轮
状态和所述磨耗轮状态一一对应的实际侧滚等效载荷系数中的最大值的比值定义为侧滚系数安全裕度，通过浮沉系数安全裕度对所述标准浮沉系数β进行评价，通过侧滚系数系数安全裕度对所述标准侧滚系数α进行评价。9.一种计算机设备，其特征在于：包括处理器，所述处理器与存储器耦合，所述存储器用于存储计算机程序或指令，所述处理器用于执行存储器中的该计算机程序或指令，使得该计算机设备执行如权利要求1-6中任意一项权利要求所述的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：用于存储计算机程序或指令，所述计算机程序或指令被执行时，使得所述计算机执行如权利要求1-6中任意一项权利要求所述的铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法。

技术总结

本发明公开了一种铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法、一种计算机设备以及一种计算机可读存储介质，以解决目前难以对铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的标准浮沉系数β和标准侧滚系数α的适用性进行科学有效评价的技术问题。包括：获取铁道车辆转向架构架主体垂向疲劳载荷的实测随机浮沉系数时域数据和实测随机侧滚系数时域数据；对所述实测随机浮沉系数时域数据和所述实测随机侧滚系数时域数据进行低通滤波；通过雨流计数法进行统计分析；利用实际浮沉系数分级载荷谱和实际侧滚系数分级载荷谱并通过等损伤原理计算得到基于标准载荷谱形状的实际浮沉等效载荷系数和实际侧滚等效载荷系数。实际侧滚等效载荷系数。实际侧滚等效载荷系数。