基于ANSYS的碳刷接線端子結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

李延鋒，梁志偉

（河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南　焦作　454000）

引言

高速動(dòng)車組列車具有運(yùn)行速度高、開行密度大的特點(diǎn)，其合理優(yōu)良的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠保證列車安全可靠的運(yùn)行[1]。軸端接地裝置產(chǎn)品是軌道客車接地系統(tǒng)的重要組成部分，安裝于動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架軸端，其主要作用是防止電流通過軸承流向地面而發(fā)生軸承電蝕現(xiàn)象，避免軸承損壞[2]。碳刷是軸端接地裝置的關(guān)鍵零部件，工作時(shí)起著傳導(dǎo)電流的作用，其性能的好壞直接影響到接地裝置性能的優(yōu)劣[3]。

接線端子壓接在碳刷導(dǎo)線的端部，通過螺栓連接在碳刷架上。碳刷工作時(shí)，接線端子本身并不受力，其作用主要是連接與導(dǎo)流，達(dá)到一定強(qiáng)度即可。但是接線端子在列車運(yùn)行過程中會(huì)承受隨機(jī)振動(dòng)作用，在此工況下，折彎型接線端子（如圖1所示）B端與A端由于振動(dòng)不一致會(huì)形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，端子折彎處C位置會(huì)受到高頻沖擊，經(jīng)長(zhǎng)期振動(dòng)和導(dǎo)線拉扯極易導(dǎo)致接線端子產(chǎn)生物理開裂。在運(yùn)行過程中，微小裂紋很容易成為應(yīng)力集中部位，在隨機(jī)振動(dòng)作用下成為疲勞源，當(dāng)有外力作用時(shí)裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接線端子斷裂[4]。

直線型接線端子是由紫銅管壓扁沖孔而成，主體部位連接在碳刷架并與之構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)，避免由于局部重心外移對(duì)端子造成的沖擊，提高強(qiáng)度。同時(shí)，直線型接線端子與導(dǎo)線連接的一端進(jìn)行翻邊處理，能夠避免在高頻振動(dòng)下端子對(duì)導(dǎo)線的摩擦損傷。

圖1　折彎型接線端子示意圖

1　結(jié)構(gòu)靜力分析

1.1　有限元仿真

利用Pro/E軟件根據(jù)兩種接線端子的尺寸參數(shù)建立三維模型，通過接口程序?qū)氲紸NSYS軟件中。接線端子所用材料均為紫銅，螺栓連接部分上下表面加載全約束，施加扭矩大小為10 N·m。采用ANSYS對(duì)接線端子進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，分別計(jì)算兩種接線端子在功能隨機(jī)振動(dòng)分析、模擬長(zhǎng)壽命分析時(shí)的應(yīng)力情況。

1.1.1功能隨機(jī)振動(dòng)分析

根據(jù)GB/T 21563—2008《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》中“3類車軸安裝”規(guī)定，功能隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，垂向、橫向與縱向三個(gè)方向振動(dòng)值大小分別為38m/s2、34m/s2與17m/s2，兩種接線端子結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果分別如圖2和下頁(yè)圖3所示。

1.1.2模擬長(zhǎng)壽命分析

根據(jù)GB/T 21563—2008中相關(guān)規(guī)定，模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)時(shí)，垂向、橫向與縱向三個(gè)方向振動(dòng)r.m.s.值大小分別為 300m/s2、270m/s2與 135m/s2，如下頁(yè)圖4、圖 5所示。

圖2　折彎型接線端子功能隨機(jī)振動(dòng)分析應(yīng)力云圖

圖3　直線型接線端子功能隨機(jī)振動(dòng)分析應(yīng)力云圖

圖4　折彎型接線端子模擬長(zhǎng)壽命分析應(yīng)力云圖

圖5　直線型接線端子模擬長(zhǎng)壽命分析應(yīng)力云圖

1.2　分析結(jié)果對(duì)比

根據(jù)兩種接線端子功能隨機(jī)振動(dòng)分析及模擬長(zhǎng)壽命分析時(shí)結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果，得到各自最大等效應(yīng)力如表1所示。從表1可以看出，在功能隨機(jī)振動(dòng)分析與模擬長(zhǎng)壽命分析中，直線型接線端子的最大應(yīng)力均小于折彎型接線端子，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高。

表1　兩種接線端子結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果　Pa

2　隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析

2.1　工況計(jì)算

兩種接線端子材料均為紫銅，執(zhí)行GB/T 21563—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行譜分析仿真計(jì)算，功率譜密度曲線如圖6所示。

圖6　功率譜密度曲線（標(biāo)稱頻譜的容差帶±3 dB）

當(dāng)質(zhì)量 ＜50 kg時(shí)，f2=500 Hz；當(dāng)質(zhì)量介于50～125 kg時(shí)，f2=（125/質(zhì)量）×200Hz；當(dāng)質(zhì)量＞125 kg時(shí)，f2=200Hz。由于碳刷接線端子質(zhì)量＜50 kg，因此此處取f2=500Hz。

2.2　ANSYS后處理分析結(jié)果

2.2.1功能隨機(jī)振動(dòng)分析

根據(jù)GB/T 21563-2008中相關(guān)規(guī)定，功能隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，各方向加速度譜密度（ASD）量級(jí)分別為垂向 8.74（m/s2）2/Hz、橫向 7.0（m/s2）2/Hz、縱向1.751（m/s2）2/Hz。根據(jù)此條件，利用 ANSYS先對(duì)兩種接線端子進(jìn)行模態(tài)分析，再進(jìn)行譜分析，得到兩種接線端子的1σ應(yīng)力，如圖7、圖8所示。

圖7　折彎型接線端子功能隨機(jī)振動(dòng)分析1σ應(yīng)力云圖

圖8　直線型接線端子功能隨機(jī)振動(dòng)分析1σ應(yīng)力云圖

2.2.2模擬長(zhǎng)壽命分析

根據(jù)GB/T 21563—2008中相關(guān)規(guī)定，模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)時(shí)，各方向ASD量級(jí)分別為垂向545.2（m/s2）2/Hz、橫向 441.2（m/s2）2/Hz、縱向 110.3（m/s2）2/Hz。根據(jù)此條件，利用ANSYS先對(duì)兩種接線端子進(jìn)行模態(tài)分析，再進(jìn)行譜分析，得到兩種接線端子模擬長(zhǎng)壽命分析的1σ應(yīng)力，如圖9、圖10所示。

圖9　折彎型接線端子模擬長(zhǎng)壽命分析1σ應(yīng)力云圖

圖10　直線型接線端子模擬長(zhǎng)壽命分析1σ應(yīng)力云圖

2.3　隨機(jī)疲勞計(jì)算

兩種接線端子在功能隨機(jī)振動(dòng)分析及模擬長(zhǎng)壽命分析時(shí)的ANSYS譜分析得到1σ最大等效應(yīng)力如表2所示。

表2　兩種接線端子譜分析結(jié)果　Pa

每次隨機(jī)振動(dòng)循環(huán)都對(duì)累計(jì)損傷具有貢獻(xiàn)，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的不斷增加，累計(jì)損傷也不斷增多，直至失效[5]。對(duì)于恒定應(yīng)力幅，在疲勞失效允許的循環(huán)次數(shù)是按材料的S-N曲線進(jìn)行確定[6]，一般情況下，工程材料的S-N曲線為對(duì)數(shù)S-N曲線，在坐標(biāo)圖上接近一條直線，近似數(shù)學(xué)公式為：

式中：N為應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)的最大循環(huán)次數(shù)；S為應(yīng)力幅；b對(duì)于多數(shù)材料一般為5～20的常數(shù)；c為取決于材料的常數(shù)。

如果應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)消耗了材料疲勞壽命的n/N部分，ni沒有達(dá)到對(duì)應(yīng)的許可次數(shù)Ni，那么產(chǎn)生的累計(jì)損傷為：

當(dāng)D=1時(shí)，表示疲勞壽命已經(jīng)耗盡，預(yù)測(cè)發(fā)生了疲勞破壞。

Steinberg提出了基于高斯分布的三區(qū)間法，它表示：68.3%的時(shí)間應(yīng)力值在-1σ～+1σ之間；95.4%的時(shí)間應(yīng)力值在-2σ～+2σ之間；99.73%的時(shí)間應(yīng)力值在 -3σ～+3σ 之間。

所以，在進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)，材料總體損傷的計(jì)算公式為：

假設(shè)接線端子振動(dòng)時(shí)間為T，振動(dòng)平均頻率為v+，那么：

n1σ=0.683 1v+T，n2σ=0.271 3v+T，n3σ=0.043 3v+T.

N1σ、N2σ、N3σ可由 1σ、2σ、3σ 應(yīng)力根據(jù)紫銅 S-N曲線查詢得到。

設(shè)折彎型接線端子總體損傷為D，直線型接線端子總體損傷為D'。由表2可知，無論功能隨機(jī)振動(dòng)分析還是模擬長(zhǎng)壽命分析，折彎線接線端子的1σ應(yīng)力都要大于直線型接線端子，相應(yīng)的折彎型接線端子2σ應(yīng)力、3σ應(yīng)力也要大于直線型接線端子。那么由紫銅S-N曲線關(guān)系可得知：

由于 n1σ=n1σ'，n2σ=n2σ'，n3σ=n3σ'，那么n1σ/N1σ＞n1σ'/N1σ'，n2σ/N2σ＞n2σ'/N2σ'，n3σ/N3σ＞n3σ'/N3σ'，所以，D＞D'，即折彎型接線端子總體損傷大于直線型接線端子，由此可得出結(jié)論：直線型接線端子使用壽命更長(zhǎng)。

3　結(jié)論

1）利用ANSYS對(duì)折彎型接線端子與直線型接線端子進(jìn)行了仿真分析，對(duì)于工程實(shí)際中部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究具有一定的參考價(jià)值。

2）在同樣的工況下，碳刷直線型接線端子在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗疲勞損傷等方面性能都要優(yōu)于折彎型接線端子，抗振性能優(yōu)越，功能上能夠替代現(xiàn)有折彎型接線端子。

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