磁浮列車(chē)Z 向支撐擺桿斷裂失效成因分析

毛 棟

（上海磁浮交通發(fā)展有限公司，上海 200019）

0 引言

上海磁浮列車(chē)采用德國(guó)高速磁浮列車(chē)技術(shù)，在運(yùn)行速度、舒適性、能耗、環(huán)境、安全性和運(yùn)行維護(hù)等方面，具有鐵路車(chē)輛和飛機(jī)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。上海磁浮運(yùn)營(yíng)線是世界上第一條進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)的高速磁浮線路，從2002 年正式運(yùn)營(yíng)開(kāi)始，依靠德國(guó)的設(shè)計(jì)技術(shù)和中國(guó)的維護(hù)，平穩(wěn)安全運(yùn)行至今。

磁浮列車(chē)沒(méi)有傳統(tǒng)的輪軌系統(tǒng)，列車(chē)和軌道的作用是由無(wú)接觸的懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)電磁系統(tǒng)所構(gòu)成。列車(chē)?yán)秒姶盼μ峁┝熊?chē)懸浮及導(dǎo)向能力，保持列車(chē)在預(yù)定的軌跡中，并利用長(zhǎng)定子同步直流電機(jī)的工作原理，使列車(chē)在走移磁場(chǎng)的作用下同步而無(wú)接觸地被牽引和制動(dòng)。電磁系統(tǒng)將支撐、導(dǎo)向和牽引力作為面載荷作用于線路上，使列車(chē)與軌道無(wú)直接接觸，使列車(chē)運(yùn)行速度高達(dá)430 km/h。為了保證磁浮列車(chē)高速運(yùn)行下的經(jīng)濟(jì)性，磁浮列車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)多采用鋁合金部件，在保持足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降低車(chē)體重量。

Z 向支承是磁浮列車(chē)二系懸掛中最重要的部件之一。就一節(jié)車(chē)廂而言，Z 向支承分布在車(chē)廂底部的16 個(gè)支承點(diǎn)上。它與擺桿，進(jìn)而和搖臂相連接，車(chē)廂上的負(fù)載均勻地分布在Z 向支承上并傳遞給搖臂，同時(shí)空氣彈簧和搖臂通過(guò)擺桿傳遞的向上的支承力也傳給了Z 向支承，所以Z 向支承是承受壓應(yīng)力的一個(gè)部件（見(jiàn)圖1）。擺桿是Z 向支承與搖臂的連接件，擺桿一方面把Z 向力傳遞給空氣彈簧，另一作用是車(chē)體的Y 向減振，保證懸浮架與車(chē)體之間在容許范圍內(nèi)的橫向自由運(yùn)動(dòng)（重力擺動(dòng)）。擺桿一方面承受Z 向支承的力（力的方向向下），另一方面承受空氣彈簧的支承力（力的方向向上），所以擺桿是承受拉應(yīng)力的部件。同時(shí)，擺桿對(duì)于車(chē)廂在Y 方向具有減振作用。這是由于擺桿的擺動(dòng)（重力擺動(dòng)），使得車(chē)廂相對(duì)于懸浮架結(jié)構(gòu)可以側(cè)向運(yùn)動(dòng)。

從2014 年開(kāi)始，Z 向支承擺桿出現(xiàn)了多次斷裂失效的問(wèn)題由于擺桿安裝位于車(chē)體結(jié)構(gòu)中部，拆卸困難，不便于拆卸檢測(cè)，且斷裂失效前無(wú)明顯征兆，預(yù)防性檢查困難，出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)列車(chē)運(yùn)行影響較大，尤其在正線運(yùn)行中出現(xiàn)突發(fā)故障時(shí)，危害極大。

1 故障分析

1.1 擺桿受力分析

圖1 磁浮列車(chē)擺桿位置示意

磁浮列車(chē)懸浮力的傳遞過(guò)程，是從懸浮模塊—托臂—橫梁—搖枕支撐座—搖枕—擺桿—Z 向支撐—到車(chē)體的傳遞過(guò)程。在正常運(yùn)行中，磁浮列車(chē)將通過(guò)兩個(gè)正反方向的彎道和直行道，此時(shí)擺桿將產(chǎn)生擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。在正常工作中，擺桿兩端的金屬關(guān)節(jié)軸承使得擺桿調(diào)整姿態(tài)，保證擺桿仍承受的是拉應(yīng)力，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中擺桿將受到交變的拉應(yīng)力。

同時(shí)統(tǒng)計(jì)Z 向支撐擺桿使用情況，可以發(fā)現(xiàn)擺桿的金屬軸承在長(zhǎng)期使用后，會(huì)出現(xiàn)軸承失效卡死的故障，而該類(lèi)故障不易察覺(jué)和發(fā)現(xiàn)，只有在軸承完全失效表面摩擦產(chǎn)生極大噪聲時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行更換，而軸承失效后將會(huì)導(dǎo)致給擺桿附加交變扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力。

1.2 斷裂擺桿目視分析

金屬材料在交變應(yīng)力下產(chǎn)生的疲勞破壞主要有三大特征[1]：第一，斷裂時(shí)并無(wú)明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒(méi)有明顯的預(yù)兆，而是突然地破壞。第二，構(gòu)件的最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于靜荷載下材料的強(qiáng)度極限或屈服強(qiáng)度。第三，疲勞破壞斷口由兩部分組成，其一是光滑區(qū)，另一是晶粒狀的粗糙區(qū)。疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力，應(yīng)變引起的延時(shí)斷裂，難以檢測(cè)和預(yù)防[2]。

針對(duì)多次斷裂擺桿的斷裂照片，從斷口分析：從下圖2 中可以明顯看出疲勞破壞過(guò)程：有裂紋源—光滑區(qū)—粗糙區(qū)，完全符合金屬疲勞破壞的特征。并且圖2 中標(biāo)記1 處有明顯的扭斷現(xiàn)象，說(shuō)明該擺桿工作中存在著扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

1.3 擺桿有限元分析

在同一循環(huán)特征下，交變應(yīng)力中的σmax越大，發(fā)生疲勞破壞所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)越小，即疲勞壽命越短[3]。反之σmax越小，N越大，疲勞壽命越長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)無(wú)限次循環(huán)不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力稱(chēng)為材料的疲勞極限。用σr表示，r 代表循環(huán)特征。鋁合金等有色金屬，其σ、N 曲線沒(méi)有明顯的水平部分（見(jiàn)圖3），規(guī)定疲勞壽命N0的最大應(yīng)力值為條件疲勞極限，規(guī)定疲勞壽命N0=5×（106～107）時(shí)的最大應(yīng)力值為條件疲勞極限，用表示[4]。

圖2 擺桿斷裂面照片

懸浮列車(chē)擺桿采用的鋁合金牌號(hào)為6061 T6，材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

其中疲勞強(qiáng)度σrN0含義是試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)樣件（規(guī)定的尺寸和加工質(zhì)量），在對(duì)稱(chēng)循環(huán)的特征下，循環(huán)次數(shù)達(dá)到N0=5×108時(shí)的最大應(yīng)力值為95 MPa 下樣件不發(fā)生破壞。

圖3 Z 向支撐擺桿及支座

表1 牌號(hào)6061 T6 鋁合金力學(xué)性能

由于擺桿在正常使用條件下，其受載情況基本處于（1～10）kN的交變應(yīng)力下，且交變頻率強(qiáng)度隨乘載情況無(wú)規(guī)律變化，為便于計(jì)算。后續(xù)設(shè)置均采用擺桿極限受力情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，因此分析所得的疲勞極限數(shù)值只作對(duì)比分析，用于尋找降低擺桿疲勞極限的成因，不做疲勞強(qiáng)度校核分析。

綜合以上材料性能及擺桿工況利用PRO/E 軟件對(duì)擺桿做有限元分析：

（1）靜載荷下疲勞極限分析

擺桿模型是根據(jù)零件1∶1 測(cè)繪建模，由于擺桿是對(duì)稱(chēng)零件為了節(jié)省軟件的計(jì)算時(shí)間，切除一半簡(jiǎn)化模型進(jìn)行有限元分析，相關(guān)力學(xué)性能按照前表進(jìn)行。設(shè)置擺桿模型的底面為位移約束面（6個(gè)自由度全部約束）。為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)置的載荷力為極限情況下載荷，支撐力F 為26 kN，其中交變應(yīng)力為5 kN，設(shè)置疲勞強(qiáng)度為N=5×108，并按照實(shí)際工況作用在擺桿的內(nèi)孔上表面（圖4）。

有限元分析如下圖（圖5）：孔壁疲勞極限為l02.697=497.74?？妆谄跇O限在經(jīng)過(guò)497.74 循環(huán)次數(shù)下該處將發(fā)生疲勞破壞。

擺桿的斷截面疲勞極限危險(xiǎn)點(diǎn)在兩個(gè)角上，l05.922=835 603。擺桿的斷截面疲勞極限在經(jīng)過(guò)835 603 循環(huán)次數(shù)下該處將發(fā)生疲勞破壞（圖6）。

（2）存在扭轉(zhuǎn)力的疲勞極限分析

當(dāng)擺桿金屬關(guān)節(jié)軸承失效后，將給擺桿端部附加上一個(gè)交變的扭轉(zhuǎn)力。當(dāng)軸承完全失效時(shí)，軸承上附加扭轉(zhuǎn)力為其表面摩擦系數(shù)乘以所受壓力，摩擦系數(shù)為0.25～0.5，為簡(jiǎn)化計(jì)算，于擺桿端部側(cè)面附加扭轉(zhuǎn)力為700 N（圖7），其他設(shè)置不變。

圖4 擺桿模型及受力設(shè)置

孔壁疲勞極限為l02.694=494.31?？妆谄跇O限在經(jīng)過(guò)494.31 循環(huán)次數(shù)下該處將發(fā)生疲勞破壞。

圖5 靜載荷下擺桿疲勞極限分析

圖6 靜載荷下擺桿端截面疲勞極限分析

擺桿的斷截面疲勞極限危險(xiǎn)點(diǎn)在二個(gè)角上，l03.911=8147.04。擺桿的斷截面疲勞極限在經(jīng)過(guò)8147.04 循環(huán)次數(shù)下該處將發(fā)生疲勞破壞。

（3）存在缺陷擺桿疲勞極限分析

機(jī)械零件的疲勞破壞[5]，是由裂紋擴(kuò)展引起的，而裂紋的形成主要在應(yīng)力集中的部位和機(jī)械零件表面。在擺桿的桿部假設(shè)有一個(gè)裂縫具體參數(shù)見(jiàn)圖8，對(duì)該擺桿進(jìn)行疲勞分析。

圖7 附加扭轉(zhuǎn)力示意

計(jì)算結(jié)果：擺桿的裂縫斷截面疲勞極限為l03.011=1025.65。擺桿的裂縫斷截面疲勞極限在經(jīng)過(guò)1025.65 循環(huán)次數(shù)下該處將發(fā)生疲勞破壞。

圖8 擺桿模擬裂口缺陷

綜合上述分析，在正常靜載情況下，擺桿孔壁為最薄弱環(huán)節(jié)，此截面的疲勞極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擺桿的中端截面的疲勞極限，出現(xiàn)該處斷裂時(shí)。說(shuō)明擺桿疲勞壽命已到達(dá)預(yù)設(shè)值。而在外加扭轉(zhuǎn)力700 N 的情況下，孔壁疲勞極限變化不明顯，而擺桿的中端截面疲勞極限大幅度下降。而擺桿上存在裂縫缺陷時(shí)，其缺陷位置疲勞極限是擺桿的正常疲勞極限1/8 倍。

2 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比有限元分析結(jié)果，擺桿斷裂失效狀態(tài)與有限元分析相同，斷裂部位為疲勞極限最小位置。磁浮列車(chē)Z 向支撐擺桿斷裂失效為基體鋁合金材料疲勞斷裂造成，導(dǎo)致其疲勞極限低于原有設(shè)計(jì)值，主要因素為：①金屬關(guān)節(jié)軸承失效，造成附加的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，極大的降低了擺桿的疲勞壽命；②擺桿表面的損傷也將造成應(yīng)力集中，從而降低擺桿疲勞壽命。

根據(jù)以上成因分析，以下改進(jìn)措施將有效解決擺桿疲勞斷裂問(wèn)題：

（1）因鋁合金材料疲勞壽命不存在極值，可考慮更換擺桿材料，提高疲勞強(qiáng)度。

（2）更改原有關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)，提高軸承使用壽命或便于檢查，進(jìn)行定期檢測(cè)。

（3）加強(qiáng)擺桿表面缺陷檢查，避免表面損傷造成應(yīng)力集中。