制動(dòng)模塊總成局部斷裂原因分析及改進(jìn)

喬 峰， 李邦國(guó)， 胡 亮， 楊偉君

(1 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司， 長(zhǎng)春 130062；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；3 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

隨著軌道交通車輛技術(shù)的快速發(fā)展，列車運(yùn)行的安全性、可靠性以及舒適度問(wèn)題得到廣泛關(guān)注[1]。作為車下設(shè)備，制動(dòng)設(shè)備的集成度越來(lái)越高，集成度越高結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性評(píng)估提出了新的要求。為了校核結(jié)構(gòu)中薄弱位置的承載以及抵抗變形的能力，需要評(píng)估其靜強(qiáng)度[2]。在列車運(yùn)行過(guò)程中結(jié)構(gòu)直接承受來(lái)自軌道不平順引起的輪軌激勵(lì)，這就要求結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性要滿足要求，避免發(fā)生疲勞斷裂。

針對(duì)某列車用制動(dòng)模塊總成在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)局部斷裂問(wèn)題，建立了制動(dòng)模塊總成的有限元模型，通過(guò)分析制動(dòng)模塊總成的動(dòng)特性得到了結(jié)構(gòu)局部斷裂的原因。從調(diào)整制動(dòng)模塊總成剛度入手，在保證制動(dòng)模塊總成總質(zhì)量不增加的前提下對(duì)框架進(jìn)行了升級(jí)提高其抗彎剛度，完成了制動(dòng)模塊總成設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)。

1 制動(dòng)模塊總成的結(jié)構(gòu)形式

制動(dòng)模塊總成由制動(dòng)控制箱、輔助控制箱、3個(gè)風(fēng)缸組件和框架組成。制動(dòng)控制箱、輔助控制箱和風(fēng)缸組件通過(guò)吊裝螺栓安裝在框架上，框架通過(guò)8個(gè)安裝孔安裝在車體底部，如圖1所示。

圖1 制動(dòng)模塊總成的組成

2 制動(dòng)模塊總成局部斷裂原因分析

2.1 制動(dòng)模塊總成局部斷裂形式

制動(dòng)模塊總成在試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)局部斷裂，斷裂點(diǎn)為制動(dòng)控制箱的安裝吊耳，如圖2所示。

圖2 吊耳的斷裂形式

2.2 制動(dòng)模塊總成有限元模型的建立

采用殼單元(Shell181)建立整個(gè)制動(dòng)模塊總成的有限元模型，其中螺栓連接部分采用梁?jiǎn)卧? Beam188)進(jìn)行模擬并通過(guò) Rigid單元進(jìn)行連接，制動(dòng)控箱內(nèi)各部分質(zhì)量通過(guò)在質(zhì)心位置設(shè)置質(zhì)量點(diǎn)模擬并通過(guò)Rigid單元進(jìn)行連接。整個(gè)制動(dòng)模塊總成有限元模型共有866 970個(gè)單元，889 491 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中吊耳處有限元模型如圖3所示。

在制動(dòng)模塊總成8個(gè)安裝孔施加全約束，約束節(jié)點(diǎn)所有的自由度，如圖4所示。制動(dòng)模塊總成各組成部分的材料特性見(jiàn)表1。

圖3 吊耳處有限元模型

圖4 約束施加

表1 各部件材料特性

2.3 斷裂原因分析

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用靜強(qiáng)度的準(zhǔn)則進(jìn)行判定。制動(dòng)模塊總成在沖擊振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)局部斷裂說(shuō)明需要從結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性入手進(jìn)行斷裂原因分析。模態(tài)分析是常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)動(dòng)特性分析方法之一，通過(guò)模態(tài)分析提取結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度及振動(dòng)形式進(jìn)行評(píng)估。

基于制動(dòng)模塊總成的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，采用Block Lanczos模態(tài)提取方法[3]獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率。計(jì)算結(jié)果表明，制動(dòng)模塊總成的一階固有頻率為15.4 Hz，一階振型為框架的彎曲振動(dòng)，框架彎曲振動(dòng)通過(guò)吊耳帶動(dòng)制動(dòng)控制箱體的前后擺動(dòng)，如圖5所示。這就意味著試驗(yàn)時(shí)在外界激勵(lì)的作用下制動(dòng)控制箱體發(fā)生較大位移的前后擺動(dòng)導(dǎo)致吊耳疲勞斷裂，與圖1吊耳的斷裂方式吻合，因此經(jīng)分析判斷吊耳斷裂是因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中箱體發(fā)生劇烈前后擺動(dòng)所導(dǎo)致。

圖5 制動(dòng)模塊總成一階振型

3 制動(dòng)模塊總成的設(shè)計(jì)改進(jìn)

模態(tài)分析的結(jié)果表明，制動(dòng)模塊總成一階固有頻率偏低，一階振型為框架的彎曲振動(dòng)，框架結(jié)構(gòu)的跨度大，集成設(shè)計(jì)后整個(gè)制動(dòng)模塊總成的剛度偏弱，在外界激勵(lì)的作用下，制動(dòng)控制箱發(fā)生較大的振動(dòng)導(dǎo)致制動(dòng)控制箱安裝吊耳處發(fā)生斷裂。

針對(duì)發(fā)生斷裂的原因，在不增加制動(dòng)模塊總成總質(zhì)量同時(shí)保持制動(dòng)模塊總成中現(xiàn)有部件布局不變的情況下，通過(guò)改變制動(dòng)模塊總成框架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)框架下方板筋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，增強(qiáng)框架抗彎曲變形的能力，改進(jìn)后的制動(dòng)模塊總成模型如圖6所示。

圖6 改進(jìn)框架后的制動(dòng)模塊總成模型

采用與2.2節(jié)相同的單元類型對(duì)制動(dòng)模塊總成進(jìn)行網(wǎng)格處理并施加約束，進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明：改進(jìn)后的制動(dòng)模塊總成一階固有頻率為21.3 Hz，一階振型如圖7所示，為上下彎曲振動(dòng)，制動(dòng)模塊總成的結(jié)構(gòu)剛度提高。

圖7 制動(dòng)模塊總成的一階振型

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

改進(jìn)后的制動(dòng)模塊總成按IEC 61373 1類A級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)，首先在同一個(gè)方向進(jìn)行增強(qiáng)隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)的模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)，其次做沖擊試驗(yàn)，最后做功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。一個(gè)方向完成后，再在其他兩個(gè)方向上進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)模塊總成結(jié)構(gòu)無(wú)裂紋或損壞，試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的制動(dòng)模塊總成樣機(jī)滿足試驗(yàn)的要求，完成新設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

結(jié)構(gòu)的剛度和振型對(duì)于結(jié)構(gòu)的疲勞損壞有著重要的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮這些因素。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度，可以改變結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)下的振動(dòng)情況，因此可以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

軌道交通車輛存在大量的功能模塊，文中的分析及改進(jìn)方法對(duì)其他功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。