專利名稱：一種內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)車車輛疲勞壽命估算方法，特別是涉及一種作為確定內(nèi)燃機(jī) 車大修周期依據(jù)的疲勞壽命估算方法。
背景技術(shù)：
為滿足不斷增長的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，近幾年中國鐵路進(jìn)行了六次大提速，
期間客貨運(yùn)輸能力增加了 18%，對機(jī)車的要求越來越高。目前全路正在服役的 內(nèi)燃機(jī)車有一萬多臺(tái)，它對鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩咝н\(yùn)行起著舉足輕重的作用，特 別是2008年初南方雪災(zāi)的發(fā)生又顯示了內(nèi)燃機(jī)車的不可替代性。因此內(nèi)燃機(jī)車 的安全可靠運(yùn)用是保障鐵路運(yùn)輸正常運(yùn)行的最基本條件之一。
中國內(nèi)燃機(jī)車一般采用計(jì)劃預(yù)防維修制度,即以規(guī)定的走行公里數(shù)為檢修周 期,鐵道部規(guī)定的大修周期為70 90萬km,中修為23 30萬km,小修為4 6 萬km，輔修不小于2萬km。為保障運(yùn)行安全，機(jī)車檢修周期應(yīng)符合機(jī)車部件 的實(shí)際損耗狀況，只有當(dāng)計(jì)劃維修的周期接近機(jī)車發(fā)生故障的實(shí)際周期時(shí)，這 種維修計(jì)劃才是最有效的。內(nèi)燃機(jī)車關(guān)鍵部件的損耗與多種因素相關(guān)，傳統(tǒng)由 走行公里單一地確定機(jī)車大修周期的方法不準(zhǔn)確，造成或因機(jī)車維修不足而影 響安全生產(chǎn)，或因維修過剩造成大量的資源浪費(fèi)。
針對單一地由走行公里或運(yùn)行時(shí)間來確定機(jī)車檢修周期所存在的不足，中
國有關(guān)部門在1999年提出了機(jī)車當(dāng)量公里的概念。該方法以機(jī)車走行公里為基 礎(chǔ)，從機(jī)車部件損耗角度出發(fā)，綜合考慮機(jī)車負(fù)荷狀況及工作時(shí)間的影響，對 各種工況下的機(jī)車走行公里進(jìn)行修正。該方法具有一定的進(jìn)步意義，并發(fā)揮了 積極作用。雖然當(dāng)量公里綜合反映了不同運(yùn)行工況對機(jī)車的損害，但機(jī)車當(dāng)量公里數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)都是經(jīng)驗(yàn)值，，并不能準(zhǔn)確得出內(nèi)燃機(jī)車各關(guān)鍵部件的損
傷程度，特別是對占內(nèi)燃機(jī)車總數(shù)20%的使用30年以上的內(nèi)燃機(jī)車更是如此。 這些機(jī)車不但不能報(bào)廢，單機(jī)牽引重量反而從3000噸提高到5000噸，繼續(xù)為 鐵路服務(wù)。利用當(dāng)量公里很難計(jì)算出不同使用年限的符合實(shí)際情況的內(nèi)燃機(jī)車 損傷狀況。因此，迫切需要研究一種新的內(nèi)燃機(jī)車檢修周期估算方法，為內(nèi)燃 機(jī)車大修提供依據(jù)。
內(nèi)燃機(jī)車是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，造成關(guān)鍵部件損傷或故障的因素 很多，包括機(jī)械應(yīng)力引起的疲勞損傷，熱-電聯(lián)合應(yīng)力造成的絕緣失效等。統(tǒng)計(jì) 結(jié)果表明，疲勞損傷是零部件的主要失效形式，在各種主要機(jī)械事故中，大約 有50% 90%是由于疲勞失效引起的。因此，需要研究一種內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命估 算方法，依此確定內(nèi)燃機(jī)車及其關(guān)鍵設(shè)備的檢修周期，為內(nèi)燃機(jī)車大修提供參 考依據(jù)，既保障機(jī)車安全運(yùn)行，又滿足中國鐵路運(yùn)輸重載、高速等要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命估算 方法，計(jì)算內(nèi)燃機(jī)車各關(guān)鍵設(shè)備及機(jī)車整體的疲勞損傷度，為確定內(nèi)燃機(jī)車大 修周期提供依據(jù)，此方法安全可行。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明提出一種新的估算思路，通過分析影響各關(guān)鍵 設(shè)備疲勞壽命的因素，選擇表征影響各關(guān)鍵設(shè)備疲勞壽命的變量，依靠采集的 數(shù)據(jù)算得各變量值，利用疲勞累計(jì)損傷理論中的邁因納準(zhǔn)則，計(jì)算各變量作用 下的各關(guān)鍵設(shè)備疲勞損傷度，然后得出機(jī)車整體疲勞損傷度，為確定內(nèi)燃機(jī)車 大修周期提供依據(jù)。
本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命估算方法步驟如下
步驟l，選擇內(nèi)燃機(jī)車關(guān)鍵設(shè)備選擇柴油機(jī)、同步主發(fā)電機(jī)、車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為估算內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命的關(guān)鍵設(shè)備。
機(jī)車的大修周期主要是針對機(jī)車上的關(guān)鍵設(shè)備，對于內(nèi)燃機(jī)車來說，最重 要的部件是動(dòng)力設(shè)備和走行部件柴油機(jī)、同步主發(fā)電機(jī)、車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架， 這些關(guān)鍵設(shè)備的損傷程度直接影響了機(jī)車的大修周期。
步驟2，選擇表征影響關(guān)鍵設(shè)備疲勞壽命的變量對于以上關(guān)鍵設(shè)備而言， 循環(huán)應(yīng)力作用是造成零部件疲勞損傷的直接原因，由于環(huán)境限制無法在設(shè)備內(nèi) 部安裝應(yīng)力檢測裝置，但其輸出轉(zhuǎn)矩的大小可以表征部件的受力狀況。
對于柴油機(jī)來說，選擇曲軸輸出扭矩作為表征其受力狀況的變量；
同樣地，車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架以牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩表征其受力狀況的變量；
對于同步主發(fā)電機(jī)來說，電應(yīng)力造成其絕緣破壞影響檢修周期，選擇其輸 出電流作為表征電應(yīng)力造成損傷的變量。
步驟3，估算關(guān)鍵設(shè)備疲勞壽命，利用疲勞累計(jì)損傷理論中的邁因納準(zhǔn)則 (Miner Criterion),通過采集到的數(shù)據(jù)得出步驟2中所述的變量值，它們超出其
疲勞極限值的部分所對應(yīng)地?fù)p傷度計(jì)算出各關(guān)鍵設(shè)備的疲勞損傷度-柴油機(jī)曲軸輸出扭矩值中大于其疲勞極限值乾,的是^，M2，…，Mn，它 們超出M—,的部分對應(yīng)地?fù)p傷度依次為^，^，…，《，A為柴油機(jī)的疲勞損傷度，
當(dāng)A-1:《-1時(shí)認(rèn)為柴油機(jī)達(dá)到其疲勞壽命，應(yīng)該檢修；同步主發(fā)電機(jī)輸出電流值中大于其疲勞極限值^的是/"2，…,/。，它們 超出/—,的部分對應(yīng)地?fù)p傷度依次為《,^,…,《，A為同步主發(fā)電機(jī)的疲勞損傷
度，當(dāng)/)2=|>2^=1時(shí)認(rèn)為同步主發(fā)電機(jī)達(dá)到其疲勞壽命，應(yīng)該檢修；牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值中大于其疲勞極限值t^的是t;，^…，7;，它們超出
t^的部分對應(yīng)地?fù)p傷度依次為^,^，…，^ ， A為車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞損傷度，當(dāng)/)3 =力4=1時(shí)認(rèn)為車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架達(dá)到其疲勞壽命，應(yīng)該檢修；
各關(guān)鍵設(shè)備疲勞損傷度的數(shù)值范圍滿足條件0<《,《,...，《<1， 0<Z),、1， 其中!' = 1,2，3。
步驟4，估算內(nèi)燃機(jī)車整體疲勞壽命根據(jù)步驟3得出的三個(gè)關(guān)鍵設(shè)備疲勞
損傷度A、 A、 A，計(jì)算內(nèi)燃機(jī)車整體疲勞損傷度
Z)-q +e2 .￡>2 +f3 .Z)3
A、 e2、 A依次為三個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的權(quán)重系數(shù)，當(dāng)"=1時(shí)認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)車達(dá)到其 疲勞壽命，應(yīng)該大修；
內(nèi)燃機(jī)整體疲勞損傷度的數(shù)值范圍滿足條件0<Z^1;三個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的權(quán) 重系數(shù)取值范圍滿足條件0 < ^，s2，e3 < 1且a + s2 + s3 = 1 。
不能簡單地把內(nèi)燃機(jī)車看成是一個(gè)由各關(guān)鍵設(shè)備構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)或并聯(lián)系 統(tǒng)，不能因?yàn)槠渲幸粋€(gè)各關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障或疲勞斷裂就要進(jìn)行大修。當(dāng)內(nèi)燃 機(jī)車的多個(gè)關(guān)鍵設(shè)備即將到達(dá)預(yù)計(jì)的疲勞壽命時(shí)，對整個(gè)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行大修才能 保證其性能指標(biāo)。權(quán)重系數(shù)的大小參考因素包括設(shè)備重要性越高，權(quán)重系數(shù) 越大；大修間隔的維修次數(shù)越多，權(quán)重系數(shù)越大。
步驟5，權(quán)重系數(shù)修正根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車大修中各關(guān)鍵設(shè)備實(shí)際損傷情況相應(yīng) 地增大或減小其權(quán)重系數(shù)，經(jīng)過多次修正后，估算結(jié)果接近機(jī)車損傷實(shí)際狀況， 作為確定機(jī)車大修周期的依據(jù)。
為了保證所述方法的有效性，至少需要采集一個(gè)大修周期(如90萬公里) 的數(shù)據(jù)以便得到步驟2中所述的變量值。
本發(fā)明的有益效果在于它不同于傳統(tǒng)的走行公里或運(yùn)行時(shí)間來確定機(jī)車檢 修周期的方法，與當(dāng)量公里的方法相比，從本質(zhì)上反映了內(nèi)燃機(jī)車的損傷狀況， 估算結(jié)果的可信度更高。此方法經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)，如增減關(guān)鍵設(shè)備和變量、調(diào)整參數(shù)等也適用于包括電力機(jī)車在內(nèi)的其他機(jī)車車輛的疲勞壽命估算，為確定機(jī)車 大修周期提供依據(jù)。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例中內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命估算的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖給出以東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車為例的疲勞壽命估算的具體過程。
(1) 選擇柴油機(jī)、同步主發(fā)電機(jī)、車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為估算內(nèi)燃機(jī)車疲 勞壽命的關(guān)鍵設(shè)備。
(2) 選擇表征影響關(guān)鍵設(shè)備疲勞壽命的變量 柴油機(jī)，選擇曲軸輸出扭矩作為表征其受力狀況的變量； 同步主發(fā)電機(jī)，選擇其輸出電流作為表征電應(yīng)力造成損傷的變量； 車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，取牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為表征其受力狀況的變量；
(3) 采集數(shù)據(jù)采集機(jī)車同步主發(fā)電機(jī)輸出電壓、輸出電流，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速， 牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速以及由機(jī)車上安全監(jiān)測裝置提供的機(jī)車行駛里程、時(shí)間等信息， 采樣間隔不大于ls，累積90萬公里的數(shù)據(jù)。同步主發(fā)電機(jī)輸出電壓、輸出電流 以及發(fā)電機(jī)效率三者相乘再除以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速即得到柴油機(jī)曲軸輸出扭矩值M; 同步主發(fā)電機(jī)輸出電壓、輸出電流、整流系數(shù)以及牽引電機(jī)效率四者相乘再除
以電機(jī)轉(zhuǎn)速即得到牽引電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩值r 。
(4) 估算關(guān)鍵設(shè)備及機(jī)車整體疲勞壽命以柴油機(jī)輸出扭矩為例，設(shè)定其 額定輸出轉(zhuǎn)矩為疲勞極限值M一， (3)中得出的柴油機(jī)曲軸輸出扭矩值中大于其 疲勞極限值M—,的是M,，Mf,Mn，它們超出M一的部分對應(yīng)地?fù)p傷度依次為《，《， ，《，A-ly"即為柴油機(jī)的疲勞損傷度；同步主發(fā)電機(jī)、車軸和轉(zhuǎn)向
架架構(gòu)的疲勞壽命估算過程亦同，只需將計(jì)算的變量換成同步主發(fā)電機(jī)輸出電 流/和牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩r即可，就得出同步主發(fā)電機(jī)的疲勞損傷度A，車軸和
轉(zhuǎn)向架架構(gòu)的疲勞損傷度"3 。最后計(jì)算e, d, + e2. a + &. "3就是內(nèi)燃機(jī)車整體疲 勞損傷度d。
(5)權(quán)重系數(shù)修正第一次計(jì)算時(shí)給定^=^=&=1/3，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行里程達(dá) 到83萬公里時(shí)，計(jì)算出A-1.05，A-1.17，A-0.88,此時(shí)￡) = 1.03 1，符合大修條 件；與關(guān)鍵設(shè)備實(shí)際損傷比較發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)損傷狀況符合大修要求，詞步主發(fā) 電機(jī)損傷狀況低于大修要求，而車軸和轉(zhuǎn)向架架構(gòu)損傷狀況超過大修要求，修 正權(quán)重系數(shù)為A =0.33，s2= 0.17，e3=0.5;第二次以修正后的權(quán)重系數(shù)參與計(jì)算，當(dāng) 機(jī)車運(yùn)行里程達(dá)到79萬公里時(shí)，計(jì)算出A-1.02,A-0.87,A-1.05 ，此時(shí) "=0.98 1，符合大修條件；與關(guān)鍵設(shè)備實(shí)際損傷比較發(fā)現(xiàn)，三個(gè)關(guān)鍵設(shè)備達(dá)到 或接近大修要求，權(quán)重系數(shù)選擇正確，確定79萬公里為該內(nèi)燃機(jī)車的大修周期 以供相關(guān)部門參考。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命估算方法，其特征在于包括以下步驟步驟1，選擇內(nèi)燃機(jī)車關(guān)鍵設(shè)備選擇柴油機(jī)、同步主發(fā)電機(jī)、車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為估算內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命的關(guān)鍵設(shè)備；步驟2，選擇表征影響關(guān)鍵設(shè)備疲勞壽命的變量[1]柴油機(jī)，選擇曲軸輸出扭矩作為表征其受力狀況的變量；[2]同步主發(fā)電機(jī)，選擇其輸出電流作為表征電應(yīng)力造成損傷的變量；[3]車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，取牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為表征其受力狀況的變量；步驟3，估算關(guān)鍵設(shè)備疲勞壽命，根據(jù)步驟2中所述的變量值，它們超出其疲勞極限值的部分所對應(yīng)地?fù)p傷度計(jì)算出各關(guān)鍵設(shè)備的疲勞損傷度[1]柴油機(jī)曲軸輸出扭矩值中大于其疲勞極限值M-1的是M1，M2，…，Mn，它們超出M-1的部分對應(yīng)地?fù)p傷度依次為d11，d12，…，d1n，D1為柴油機(jī)的疲勞損傷度，當(dāng)<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>d</mi> <mrow><mn>1</mn><mi>k</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008101170450002C1.tif" wi="22" he="9" top= "143" left = "30" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>時(shí)認(rèn)為柴油機(jī)達(dá)到其疲勞壽命，應(yīng)該檢修；[2]同步主發(fā)電機(jī)輸出電流值中大于其疲勞極限值I-1的是I1，I2，…，In，它們超出I-1的部分對應(yīng)地?fù)p傷度依次為d21，d22，…，d2n，D2為同步主發(fā)電機(jī)的疲勞損傷度，當(dāng)<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>D</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>d</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>k</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2008101170450002C2.tif" wi="23" he="9" top= "180" left = "39" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>時(shí)認(rèn)為同步主發(fā)電機(jī)達(dá)到其疲勞壽命，應(yīng)該檢修；[3]牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值中大于其疲勞極限值T-1的是T1，T2，…，Tn，它們超出T-1的部分對應(yīng)地?fù)p傷度依次為d31，d32，…，d3n，D3為車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞損傷度，當(dāng)<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>D</mi> <mn>3</mn></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>d</mi> <mrow><mn>3</mn><mi>k</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2008101170450002C3.tif" wi="23" he="9" top= "217" left = "39" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>時(shí)認(rèn)為車軸和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架達(dá)到其疲勞壽命，應(yīng)該檢修；步驟4，估算內(nèi)燃機(jī)車整體疲勞壽命根據(jù)步驟3得出的三個(gè)關(guān)鍵設(shè)備疲勞損傷度D1、D2、D3，計(jì)算內(nèi)燃機(jī)車整體疲勞損傷度D＝ε1·D1+ε2·D2+ε3·D3ε1、ε2、ε3依次為三個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的權(quán)重系數(shù)，當(dāng)D＝1時(shí)認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)車達(dá)到其疲勞壽命，應(yīng)該大修；步驟5，權(quán)重系數(shù)修正根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車大修中各關(guān)鍵設(shè)備實(shí)際損傷情況相應(yīng)地增大或減小其權(quán)重系數(shù)，經(jīng)過多次修正后，估算結(jié)果接近機(jī)車損傷實(shí)際狀況，作為確定機(jī)車大修周期的依據(jù)。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命估算方法，其特征在于關(guān)鍵 設(shè)備疲勞壽命的變量的采集至少需要采集一個(gè)大修周期的數(shù)據(jù)以便得到步驟2 中所述的變量值，以保證所述方法的有效性。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命估算方法，其特征在于，步驟3中各關(guān)鍵設(shè)備疲勞損傷度的數(shù)值范圍滿足條件0<《,《,.,《<1, 0<Z^1, 其中/ = 1,2,3。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命估算方法，其特征在于，步 驟4中內(nèi)燃機(jī)整體疲勞損傷度的數(shù)值范圍滿足條件(XZX1;三個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的 權(quán)重系數(shù)取值范圍滿足條件0 <s,￡2,& < 1且￡, + e2 + & = 1 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命估算方法，首先選擇估算內(nèi)燃機(jī)車疲勞壽命的關(guān)鍵設(shè)備，再選擇表征影響各關(guān)鍵設(shè)備疲勞壽命的變量，通過采集相關(guān)數(shù)據(jù)得到所需變量值，利用疲勞累計(jì)損傷理論中的邁因納準(zhǔn)則，計(jì)算出各關(guān)鍵設(shè)備疲勞損傷度，當(dāng)其值等于1時(shí)認(rèn)為設(shè)備達(dá)到疲勞壽命應(yīng)該檢修。內(nèi)燃機(jī)車整體疲勞損傷度等于各關(guān)鍵設(shè)備疲勞損傷度乘以對應(yīng)權(quán)重系數(shù)相加之和，當(dāng)這個(gè)值等于1時(shí)認(rèn)為機(jī)車達(dá)到疲勞壽命應(yīng)該大修。最后通過修正權(quán)重系數(shù)，使估算結(jié)果接近機(jī)車損傷實(shí)際狀況，作為確定機(jī)車大修周期的依據(jù)。本發(fā)明不同于傳統(tǒng)走行公里以及用當(dāng)量公里確定機(jī)車大修周期的方法，它從本質(zhì)上反映內(nèi)燃機(jī)車損傷狀況，估算結(jié)果可信度更高。
文檔編號(hào)G01M17/08GK101319966SQ20081011704
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月23日
發(fā)明者全恒立, 軍 劉, 劉志剛, 沈茂盛, 牟富強(qiáng), 威 狄, 磊 王, 劼 蘇 申請人:北京交通大學(xué);北京鏈奕通易軌道交通科技有限公司