秦建忠，宋桂環(huán)，李 杰

（1.今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司，常州 213011； 2.天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201199）

IEC 61373兩個(gè)版本標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)對(duì)比分析

秦建忠1，宋桂環(huán)2，李 杰2

（1.今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司，常州 213011； 2.天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201199）

通過(guò)對(duì)IEC 61373-1999與IEC 61373-2010鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的比較，主要分析了振動(dòng)試驗(yàn)中的模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)的量級(jí)變化。兩種版本振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)變化的原因是標(biāo)準(zhǔn)中采用的S-N模型發(fā)生變化，從而導(dǎo)致計(jì)算加速度比的方法有所改變。

加速度比；RMS；疲勞強(qiáng)度曲線

概述

隨著我國(guó)高速鐵路網(wǎng)的不斷完善，鐵路軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，由于軌道運(yùn)行環(huán)境的影響，車上的設(shè)備將承受振動(dòng)沖擊的環(huán)境。列車運(yùn)行所產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)影響越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，為了保證設(shè)備的質(zhì)量，應(yīng)模擬設(shè)備使用環(huán)境條件對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。IEC 61373是軌交行業(yè)的通用性振動(dòng)沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中涵蓋了模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)（Simulated long-life test）、沖擊試驗(yàn)（Shock test）和功能性隨機(jī)試驗(yàn)（Functional vibration test），其中模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)采用加速振動(dòng)應(yīng)力的方式，通過(guò)設(shè)備每個(gè)軸向5小時(shí)的振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)等效25年正常運(yùn)行的振動(dòng)疲勞損傷。隨著對(duì)鐵路機(jī)車車輛設(shè)備的試驗(yàn)考核要求越來(lái)越高和對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)疲勞損傷模型認(rèn)識(shí)的不斷提高，IEC 61373也在作相應(yīng)的修正。

目前，國(guó)內(nèi)所使用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)處于IEC 61373-1999[1]和IEC 61373-2010[2]共用的情況。相應(yīng)的國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3058-2002[3]，GB/T 21563-2008[4]沿用了IEC 61373-1999。為了使試驗(yàn)人員對(duì)兩個(gè)版本的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有較為清晰的認(rèn)識(shí)，本文從原理入手，解釋了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別。

1 IEC 61373-2010與IEC 61373-1999的區(qū)別

根據(jù)兩個(gè)版本標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)與沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)量級(jí)保持不變，而模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)的振動(dòng)量級(jí)發(fā)生了較大的變化，變化情況見(jiàn)表1。由表1中可以看到，兩個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)試驗(yàn)件屬于1類或2類安裝的產(chǎn)品時(shí)，模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)的振動(dòng)均方根值下降幅度為27%～29%，而試驗(yàn)件屬于3類-車軸安裝的產(chǎn)品時(shí)，振動(dòng)均方根值的下降幅度為52%～53%。究其原因，模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)的振動(dòng)量級(jí)是通過(guò)功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的量級(jí)按一定比例（即加速度比）放大，從而縮短試驗(yàn)時(shí)間。量級(jí)變化，主要是由于加速度比發(fā)生了變化。

2 兩種版本標(biāo)準(zhǔn)中加速度比的計(jì)算方法

2.1 IEC 61373-1999

為縮短試驗(yàn)時(shí)間，該標(biāo)準(zhǔn)選擇增加振幅的方法，為進(jìn)行模擬長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。假定試驗(yàn)件的疲勞損傷D與應(yīng)力的指數(shù)及循環(huán)次數(shù)成正比見(jiàn)式（1）。

式中：

Nf—循環(huán)次數(shù) ；

Σ— 應(yīng)力水平；

m— 指數(shù)/加速因子（典型值為3-9）；

α—常數(shù)。

由于隨機(jī)振動(dòng)的均方根值可正比于應(yīng)力水平，試驗(yàn)時(shí)間可正比于循環(huán)次數(shù)，因此

式中：

Ts—實(shí)際服役時(shí)間（壽命）；

Tt—試驗(yàn)時(shí)間；

As—實(shí)際運(yùn)行加速度均方根值；At—試驗(yàn)加速度均方根值。

可根據(jù)式（2），定義加速度比r為

當(dāng)產(chǎn)品的實(shí)際考核壽命按照25年計(jì)時(shí)，實(shí)際服役時(shí)間Ts=25%正常壽命=25年壽命×300天/年×10h/天×25%=18750h，試驗(yàn)時(shí)間Tt定為5h，加速因子m按照典型金屬取為4，則此時(shí)加速比r為

表1 標(biāo)準(zhǔn)中模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)條件對(duì)比

該版本與1999版所采用的模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)量級(jí)計(jì)算思路是相同的，都是通過(guò)增加振幅來(lái)縮短試驗(yàn)時(shí)間。同時(shí)，對(duì)于產(chǎn)品疲勞損傷D的定義也基本相同，見(jiàn)式（5）。

式中：

Nf— 循環(huán)次數(shù)；

Δσ— 應(yīng)力范圍（或者說(shuō)交變應(yīng)力幅值）；

m— 指數(shù)（典型值為3～9）；

α— 常數(shù)。

然而相對(duì)于1999版中簡(jiǎn)單的反冪律S-N模型，2010版中引入了恒幅疲勞極限（Constant amplitude fatigue limit）和截止極限（Cut-off limit），按照循環(huán)次數(shù)的范圍分為3段，詳見(jiàn)圖1。當(dāng)Δσ大于恒幅疲勞極限時(shí)（N＜5×106），S-N曲線與1999版本相同，可定義在常數(shù)α1下，滿足

圖1 典型S-N曲線

式中：m1為1999版本中的m相對(duì)應(yīng)，典型取值為3～9，對(duì)于典型金屬，取值為4。

當(dāng)Δ σ小于恒幅疲勞極限且大于截止極限時(shí)（5×106＜N＜1×108），S-N曲線可定義在常數(shù)α2下，滿足

式中：m2=m1+2。

當(dāng)Δσ小于截止極限時(shí)，S-N模型認(rèn)為產(chǎn)品在疲勞載荷下不會(huì)有損傷，N為無(wú)窮大。

為了保證車輛設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行壽命和5個(gè)小時(shí)的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)所造成的疲勞損傷程度相同，根據(jù)ASD曲線的最小頻率來(lái)確定循環(huán)次數(shù)，見(jiàn)表2。

從表2中可以看到，試驗(yàn)循環(huán)數(shù)處于S-N曲線的第1段，而服役循環(huán)數(shù)處于S-N曲線的第2段。此時(shí)，交變應(yīng)力幅值Δσ還是對(duì)應(yīng)于加速度均方根值，則加速度比r可表示為

對(duì)于1、2類，Nt=0.036×106，通過(guò)式（8）計(jì)算得出，加速度比r為5.66。同理，可算出3類的加速度比r為3.78。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于標(biāo)準(zhǔn)中選用的疲勞模型不同及對(duì)循環(huán)次數(shù)的定義發(fā)生變化，導(dǎo)致計(jì)算加速振動(dòng)量級(jí)時(shí)的加速度比從原來(lái)1999版的7.83下降為2010版的5.66（1類、2類）和3.78（3類），從而使模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)的均方根值減小了27%～29%（1類、2類）和52%～53%（3類）。

表2 試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)及服役循環(huán)次數(shù)

由于標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)量級(jí)的降低，按照相同的反冪律計(jì)算方式，從試驗(yàn)時(shí)間的角度考慮，對(duì)于1類和2類車輛設(shè)備，2010版的5h只相當(dāng)于1999版中的26%左右，而對(duì)于3類車輛設(shè)備，2010版的5h只相當(dāng)于1999版中的5%左右。一般地，對(duì)于相對(duì)成熟的車輛設(shè)備來(lái)說(shuō)，采用IEC 61 373-2010進(jìn)行型式試驗(yàn)，可以適當(dāng)?shù)厝趸瘜?duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，降低制造成本；而對(duì)于技術(shù)、工藝等都不成熟的車輛設(shè)備，考慮到國(guó)內(nèi)實(shí)際列車運(yùn)行環(huán)境與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的差異，可以仍然沿用IEC 61373-1999（或TB/T 3058-2002，GB/T 21563-2008），以防止試驗(yàn)時(shí)的欠考核。

另外，由于IEC 61373-2010的S-N曲線中，Δσ主要為對(duì)稱循環(huán)（R= -1）中的應(yīng)力幅值，可以直接對(duì)應(yīng)到產(chǎn)品所受到的加速度均方根值。而對(duì)于像列車行李架，污水箱等列車部件，在模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)中的應(yīng)力值并非是對(duì)稱循環(huán)的，必須考慮平均應(yīng)力的影響。平均應(yīng)力會(huì)使得疲勞壽命下降[5]，因此在更細(xì)致地考慮類似產(chǎn)品的疲勞壽命及加速振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)是比較重要的。

[1] IEC 61373-1999, Railway applications - Rolling stock equipment -shock and vibration tests [S].

[2] IEC 61373-2010, Railway applications - Rolling stock equipment -shock and vibration tests [S].

[3] TB/T 3058-2002,鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn) [S].

[4] GB/T 21563-2008,鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn) [S].

[5] 陳傳堯. 疲勞與斷裂 [M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社, 2005.

秦建忠 （ 1966年7月- ），本科，工程師，主要研究方向：軌道交通產(chǎn)品可靠性。

Comparison of Vibration Level Between Two Versions of IEC 61373

QIN Jian-zhong1, SONG Gui-huan2, LI Jie2
（1.KTK GROUP Co., Ltd., Changzhou 213011; 2.Shanghai Branch of Tianjin Aerospace Ruilai Technology Co.,Ltd., Shanghai 201199）

Through comparison of IEC 61373-1999 and IEC 61373-2010, Railway applications - Rolling stock equipment - Shock and vibration tests, the change of vibration level of simulated long-life test is mainly analyzed. The reason of difference is explained in according to the calculation of the acceleration ratio, which is caused by change of S-N modal used in the standard.

acceleration ratio; RMS; fatigue strength curve

O324

A

1004-7204（2015）03-0054-03