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摘 要：本文通过组装、振动试验，研究了制动支管在多种组装尺寸下及在不同激扰谱振动中应力变化情况，以评估其对制动支管法兰接头体焊缝的影响。同时对制动支管法兰接头体焊缝失效的原因进行分析并提出建议。
关键词：铁路货车；制动支管；强力组装；振动；试验
2017年以来，铁路货运列车在运用中出现了大量支管裂损故障，此类故障大部分表现为不锈钢管与接头体焊接部位折断，严重地影响了运输效率，对列车运行安全也存在一定影响。制动支管在生产中焊接和组装质量差，以及运用中振动、冲击等条件下，法兰接头体焊缝位置容易应力集中，萌生裂纹或断裂失效。为了研究组装和振动对制动支管的影响，进行了组装和振动试验，以期找到制动支管接头体焊缝失效的原因。
1 被试制动管
被试制动管采用出口阿根廷N80-ARG型平车双室风缸和控制阀之间连接的制动管DN20支管组成（1）和DN20支管组成（2），各8根，共16根。支管两端焊接了接头体，依靠两个法兰分别与双室风缸和控制阀连接。DN20支管组成（1）和DN20支管组成（2）主要参数如图1.1、图1.2所示。
2 试验方案
2.1 试验内容与测点布置
在制动管法兰接头焊缝附近的水平和竖直方向上粘贴应力应变片，利用模拟工装对制动管进行组装应力测试，以检测法兰接头处焊缝应力变化，并依托振动试验台测试制动管结构的应力响应。
2.2 方案说明
2.2.1 强力组装试验
为了解强力组装造成的内应力大小，分析内应力在故障中的影响，将制动管安装在工装上，先固定控制阀端法兰，再固定双室风缸端法兰，最后再固定管卡。通过设置不同的水平方向的组装尺寸，来测试各工况下的组装应力。
2.2.2 采用轨道谱进行振动试验
在车辆运行过程中，轨道的不平顺会引起车辆的振动，随着运行速度不断提高，轨道对车辆的冲击也不断增大。在没有阿根廷铁路轨道谱的情况下，采用与其线路情况接近的轨道谱，其实验分析结果也基本符合实际情况。
阿根廷N80-ARG型平车最大商业运营速度为100km/h，根据美国铁路的AAR轨道谱参数，选用5级线路谱作为振动激扰谱。其中，轨道高低不平顺的函数表达式如下：
，单位cm2/（rad/m）
经函数转换，得到
，单位（m/s2）2/Hz
使用MATLAB编程绘制出ASD频谱曲线，曲线如图2.2.2。
2.2.3 采用国标进行振动试验
作为安装在车体上的部件，按国标《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》（GB/T 21563-2008）的要求，需进行随机振动试验，以了解被试部件在正常环境条件下承受振动的能力，此两种制动管属于试验等级中的1类B级，进行长寿命振动试验。
3 试验结果分析
3.1 组装试验结果的研究分析
第二组DN20支管组成（2）与双室风缸法兰连接处，支管与法兰接头焊接位置断面处的最大应力为203.4MPa，在控制阀端的法兰连接处的最大应力为429.2MPa，工况为+13mm组装状态，见图3.1。其余测点应力值均小于150MPa。
3.2 在美国5级线路谱（100km/h，波长0.5-50m）振动的试验结果
在100km/h试验速度级下，被试制动管各测试断面的动应力最大范围统计结果如图3.2.1所示，各测点的动应力PSD谱分析结果如图3.2.2所示。其中，DN20支管组成（1）与双室风缸法兰连接处，支管与法兰接头焊接位置断面处的最大应力范围为70.1MPa，峰值点对应的频率为49.4Hz。所有测量点的功率谱密度在30Hz以上集中。
3.3 在国标《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》（GB/T 21563-2008）1类B级ASD频谱振动下长寿命试验结果
被试制动管各测试断面的动应力最大范围统计结果如图3.4.1所示，各测量点的动应力PSD谱分析结果如圖3.4.2所示。其中：DN20支管组成（1）与控制阀法兰连接处，支管与法兰接头焊接位置断面处的最大应力范围为62.2MPa，峰值点对应的频率为41.3Hz。所有测量点的功率谱密度在33Hz以上集中，所有峰值点发生在高于40Hz频率点以上。
4 结论分析及建议
组装试验结果表明：法兰组装存在错位尺寸的情况时，会产生一定的组装应力。错位尺寸较大时，组装应力显著增大，在错位尺寸为+13mm时，DN20支管组成（2）的测点的最大应力值为429.2MPa，接近于管道材料的抗拉强度，对法兰接头焊缝的失效有较大影响。
线路谱振动试验结果表明：在100km/h速度级激扰下，制动管动应力测点最大应力范围不超过71MPa，测点动应力水平不高。大部分测点功率谱密度集中在大于33Hz频率点上。实际情况中，车辆转向架过滤了30Hz以上的高频振动，车体上的制动管在低频振动激扰下，动应力水平较低，对法兰接头处焊缝失效的影响较小。
采用国标振动频谱长寿命试验的振动结果表明：制动管在提高随机振动量级的模拟长寿命试验中，垂向5h的振动结束后法兰接头焊缝并未出现可见的裂纹、断开和失效的状况。所有测点功率谱密度集中在大于33Hz频率点上。测点动应力范围最大为62.2MPa，测点动应力水平不高。
可见，在制动支管的制造及组装过程中，将制动支管加工尺寸和各连接部件的组装尺寸精度控制在许可范围内，可以较大的降低组装带来的接头体焊缝位置的应力集中，对于提高货运列车的运输效率、保障运行安全有较强的指导意义。
参考文献
[1]魏冲锋.轨道不平顺功率谱时域转换及应用研究西南交通大学硕士学位论文.2011
[2][加]V.K.加尔格.Dynamics of Railway Vehicle Systems.西南交通大学出版社.1998
[3]田国英.铁路轨道不平顺功率谱分析与数值模拟本科毕业论文.西南交通大学.2008
[4]毛远琪.GB/T 21563-2008.轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验[S].2008
（作者单位：中车眉山车辆有限公司）
关键词：铁路货车；制动支管；强力组装；振动；试验
2017年以来，铁路货运列车在运用中出现了大量支管裂损故障，此类故障大部分表现为不锈钢管与接头体焊接部位折断，严重地影响了运输效率，对列车运行安全也存在一定影响。制动支管在生产中焊接和组装质量差，以及运用中振动、冲击等条件下，法兰接头体焊缝位置容易应力集中，萌生裂纹或断裂失效。为了研究组装和振动对制动支管的影响，进行了组装和振动试验，以期找到制动支管接头体焊缝失效的原因。
1 被试制动管
被试制动管采用出口阿根廷N80-ARG型平车双室风缸和控制阀之间连接的制动管DN20支管组成（1）和DN20支管组成（2），各8根，共16根。支管两端焊接了接头体，依靠两个法兰分别与双室风缸和控制阀连接。DN20支管组成（1）和DN20支管组成（2）主要参数如图1.1、图1.2所示。
2 试验方案
2.1 试验内容与测点布置
在制动管法兰接头焊缝附近的水平和竖直方向上粘贴应力应变片，利用模拟工装对制动管进行组装应力测试，以检测法兰接头处焊缝应力变化，并依托振动试验台测试制动管结构的应力响应。
2.2 方案说明
2.2.1 强力组装试验
为了解强力组装造成的内应力大小，分析内应力在故障中的影响，将制动管安装在工装上，先固定控制阀端法兰，再固定双室风缸端法兰，最后再固定管卡。通过设置不同的水平方向的组装尺寸，来测试各工况下的组装应力。
2.2.2 采用轨道谱进行振动试验
在车辆运行过程中，轨道的不平顺会引起车辆的振动，随着运行速度不断提高，轨道对车辆的冲击也不断增大。在没有阿根廷铁路轨道谱的情况下，采用与其线路情况接近的轨道谱，其实验分析结果也基本符合实际情况。
阿根廷N80-ARG型平车最大商业运营速度为100km/h，根据美国铁路的AAR轨道谱参数，选用5级线路谱作为振动激扰谱。其中，轨道高低不平顺的函数表达式如下：
，单位cm2/（rad/m）
经函数转换，得到
，单位（m/s2）2/Hz
使用MATLAB编程绘制出ASD频谱曲线，曲线如图2.2.2。
2.2.3 采用国标进行振动试验
作为安装在车体上的部件，按国标《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》（GB/T 21563-2008）的要求，需进行随机振动试验，以了解被试部件在正常环境条件下承受振动的能力，此两种制动管属于试验等级中的1类B级，进行长寿命振动试验。
3 试验结果分析
3.1 组装试验结果的研究分析
第二组DN20支管组成（2）与双室风缸法兰连接处，支管与法兰接头焊接位置断面处的最大应力为203.4MPa，在控制阀端的法兰连接处的最大应力为429.2MPa，工况为+13mm组装状态，见图3.1。其余测点应力值均小于150MPa。
3.2 在美国5级线路谱（100km/h，波长0.5-50m）振动的试验结果
在100km/h试验速度级下，被试制动管各测试断面的动应力最大范围统计结果如图3.2.1所示，各测点的动应力PSD谱分析结果如图3.2.2所示。其中，DN20支管组成（1）与双室风缸法兰连接处，支管与法兰接头焊接位置断面处的最大应力范围为70.1MPa，峰值点对应的频率为49.4Hz。所有测量点的功率谱密度在30Hz以上集中。
3.3 在国标《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》（GB/T 21563-2008）1类B级ASD频谱振动下长寿命试验结果
被试制动管各测试断面的动应力最大范围统计结果如图3.4.1所示，各测量点的动应力PSD谱分析结果如圖3.4.2所示。其中：DN20支管组成（1）与控制阀法兰连接处，支管与法兰接头焊接位置断面处的最大应力范围为62.2MPa，峰值点对应的频率为41.3Hz。所有测量点的功率谱密度在33Hz以上集中，所有峰值点发生在高于40Hz频率点以上。
4 结论分析及建议
组装试验结果表明：法兰组装存在错位尺寸的情况时，会产生一定的组装应力。错位尺寸较大时，组装应力显著增大，在错位尺寸为+13mm时，DN20支管组成（2）的测点的最大应力值为429.2MPa，接近于管道材料的抗拉强度，对法兰接头焊缝的失效有较大影响。
线路谱振动试验结果表明：在100km/h速度级激扰下，制动管动应力测点最大应力范围不超过71MPa，测点动应力水平不高。大部分测点功率谱密度集中在大于33Hz频率点上。实际情况中，车辆转向架过滤了30Hz以上的高频振动，车体上的制动管在低频振动激扰下，动应力水平较低，对法兰接头处焊缝失效的影响较小。
采用国标振动频谱长寿命试验的振动结果表明：制动管在提高随机振动量级的模拟长寿命试验中，垂向5h的振动结束后法兰接头焊缝并未出现可见的裂纹、断开和失效的状况。所有测点功率谱密度集中在大于33Hz频率点上。测点动应力范围最大为62.2MPa，测点动应力水平不高。
可见，在制动支管的制造及组装过程中，将制动支管加工尺寸和各连接部件的组装尺寸精度控制在许可范围内，可以较大的降低组装带来的接头体焊缝位置的应力集中，对于提高货运列车的运输效率、保障运行安全有较强的指导意义。
参考文献
[1]魏冲锋.轨道不平顺功率谱时域转换及应用研究西南交通大学硕士学位论文.2011
[2][加]V.K.加尔格.Dynamics of Railway Vehicle Systems.西南交通大学出版社.1998
[3]田国英.铁路轨道不平顺功率谱分析与数值模拟本科毕业论文.西南交通大学.2008
[4]毛远琪.GB/T 21563-2008.轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验[S].2008
（作者单位：中车眉山车辆有限公司）