基于線路試驗(yàn)條件下城軌用受電弓弓頭板簧壽命預(yù)計(jì)

李 偉

(廈門軌道交通集團(tuán)有限公司， 福建廈門 361000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)及城市化進(jìn)程的不斷加快，城市軌道交通快速發(fā)展，隨之而來在剛性接觸網(wǎng)運(yùn)行下的地鐵受電弓問題逐漸增多，主要集中在滑板磨耗較大及部件的疲勞問題，其中影響較大的主要有弓角、上框架、下導(dǎo)桿、下臂連接處開裂和弓頭板簧斷裂等問題。

疲勞問題往往會(huì)給受電弓部件帶來重大安全隱患，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)破壞，從而導(dǎo)致線路段弓網(wǎng)系統(tǒng)損壞，影響整條線路的正常運(yùn)營(yíng)。結(jié)合城軌地鐵用CED160系列受電弓，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行受力分析，從理論上獲得在極限載荷條件下部件薄弱環(huán)節(jié)，并根據(jù)廈門地鐵1號(hào)線線路試驗(yàn)獲得的疲勞載荷數(shù)據(jù)情況對(duì)受電弓關(guān)鍵受力部件板簧進(jìn)行壽命預(yù)計(jì)，為后續(xù)檢修使用維護(hù)提供理論依據(jù)。

1 受電弓極限載荷受力分析

地鐵車輛運(yùn)行中受電弓受到載荷主要有4個(gè)方面，包括弓網(wǎng)接觸力、車輛振動(dòng)、風(fēng)阻、重力。

1.1 弓網(wǎng)接觸力

弓網(wǎng)接觸力主要用于保證受電弓與接觸網(wǎng)的正常受流，其最小接觸力應(yīng)確保受電弓和接觸線之間不喪失接觸。受電弓與接觸網(wǎng)組成一個(gè)相互振蕩和耦合的振動(dòng)系統(tǒng)，接觸壓力也會(huì)隨受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)的組合而變化。列車運(yùn)行的安全性和性能，滑板和接觸線的磨損，主要受到受電弓與接觸網(wǎng)之間動(dòng)態(tài)相互作用的影響。

根據(jù)IEC 62486-2010《軌道交通 受流系統(tǒng) 受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》[1]中的規(guī)定：當(dāng)速度小于200 km/h時(shí)，其動(dòng)態(tài)接觸力小于等于300 N。地鐵車輛一般設(shè)計(jì)速度最大為120 km/h，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)定極限接觸壓力為300 N。

1.2 車輛振動(dòng)

受電弓在運(yùn)行試驗(yàn)中主要通過考核其隨機(jī)振動(dòng)、長(zhǎng)壽命振動(dòng)和沖擊振動(dòng)，驗(yàn)證受電弓動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)IEC 61373-2010《鐵路應(yīng)用 車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》[2]的規(guī)定，車頂設(shè)備按照1類A級(jí)進(jìn)行考核，選取沖擊振動(dòng)試驗(yàn)作為極限載荷條件之一，其在車輛振動(dòng)情況按表1規(guī)定。

表1 受電弓振動(dòng)加速度

1.3 風(fēng)阻

考慮到地鐵車輛在隧道中運(yùn)行情況，受電弓氣動(dòng)阻力會(huì)對(duì)受電弓造成一定的影響，考慮將風(fēng)阻作為載荷條件之一。

根據(jù)經(jīng)典空氣動(dòng)力學(xué)理論可知，空氣阻力計(jì)算公式：

(1)

式中：ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，常溫下空氣密度，取1.205 kg/m3；cw空氣阻力系數(shù)，取最大值為1；A為迎風(fēng)面積，見表2；v為相對(duì)于風(fēng)的速度，考慮隧道內(nèi)會(huì)車其值增加25%，以車輛最大設(shè)計(jì)速度120 km/h為基準(zhǔn)，取值150 km/h。

結(jié)合受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)和考慮安全余度:

F阻力=1.5f

(2)

最大工作高度下，受電弓開閉口運(yùn)行時(shí)的迎風(fēng)面積見表2：

表2 CED160型受電弓運(yùn)行時(shí)迎風(fēng)面積(主要部件)

1.4 各部件強(qiáng)度分析結(jié)果

參照以上極限載荷加載情況，結(jié)合ANSYS軟件對(duì)受電弓進(jìn)行載荷應(yīng)力分析，根據(jù)結(jié)果查看最大應(yīng)力主要分布在弓頭板簧處，板簧材料為0Cr17Ni7Al，厚度為2 mm，最大應(yīng)力值為1 018.9 MPa，如圖1所示。在極限工況條件下，受電弓各部件應(yīng)力均未超過其材料屈服強(qiáng)度，各部件應(yīng)力結(jié)果見表3，受電弓滿足在極限載荷強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，從結(jié)果可以查看受電弓弓頭板簧應(yīng)力最大，故對(duì)其疲勞情況進(jìn)行重點(diǎn)分析。

圖1 受電弓應(yīng)力分布情況

部件材料屈服強(qiáng)度/MPa最大應(yīng)力/MPa弓頭0Cr17Ni7AL>16001018.9上臂鋁合金>12593.36下臂碳鋼Q345>345164下導(dǎo)桿不銹鋼304>20546底架碳鋼Q345>345273.5

2 受電弓弓頭板簧疲勞壽命預(yù)計(jì)

由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)是周期性結(jié)構(gòu)，受電弓在運(yùn)行過程中處于交變載荷下工作，并對(duì)受電弓產(chǎn)生隨機(jī)激勵(lì)，導(dǎo)致受電弓疲勞破壞，尤其是剛性接觸下，受電弓工作環(huán)境更為惡劣，一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致弓網(wǎng)受流變差，甚至嚴(yán)重情況下將會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)癱瘓，影響整條線路段的運(yùn)營(yíng)，故結(jié)合以上載荷受力分析情況，對(duì)受電弓關(guān)鍵部件弓頭板簧進(jìn)行疲勞分析十分必要。

2.1 受電弓弓頭結(jié)構(gòu)形式及板簧參數(shù)

受電弓的結(jié)構(gòu)包含下臂Q1、下導(dǎo)桿Q2、上臂Q3、上導(dǎo)桿Q4和弓頭Q5結(jié)構(gòu)組成。受電弓的接觸力Fc是受電弓的垂向特性，在實(shí)際的研究中通常將列車的縱向剖面作為研究平面，將結(jié)構(gòu)向該平面投影，簡(jiǎn)化為一個(gè)2個(gè)四連桿組成的二維結(jié)構(gòu)，如圖2所示。弓頭Q5板簧部件在靜態(tài)情況下受到弓網(wǎng)接觸力和重力的作用，在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中受到靜態(tài)接觸力、重力、硬點(diǎn)沖擊力等復(fù)合作用，以上動(dòng)態(tài)載荷情況可根據(jù)實(shí)際線路試驗(yàn)采集。

圖2 受電弓二維結(jié)構(gòu)圖

受電弓弓頭板簧采用0Cr17Ni7Al彈簧鋼材料，主要用于受電弓運(yùn)行過程中碳滑板的支撐及實(shí)現(xiàn)弓頭垂向自由度，是保證受電弓受流的關(guān)鍵部件，如圖3所示。0Cr17Ni7Al主要性能參數(shù)見表4。

圖3 受電弓弓頭板簧結(jié)構(gòu)圖

表4 弓頭板簧主要性能參數(shù)

2.2 受電弓板簧線路試驗(yàn)載荷數(shù)據(jù)采集

廈門地鐵1號(hào)線受電弓在線路運(yùn)行過程中載荷歷程數(shù)據(jù)通過在受電弓弓頭板簧上加裝4個(gè)壓力感器進(jìn)行采集，如圖4所示，壓力傳感器測(cè)出弓頭板簧4個(gè)位置所受壓力，并經(jīng)過綜合分析受電弓靜接觸力、慣性力及空氣動(dòng)力等得出動(dòng)態(tài)接觸壓力，即為板簧動(dòng)態(tài)受力情況；壓力傳感器輸出與數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間包括前置放大器、信號(hào)調(diào)制器、光纖盒數(shù)據(jù)接口等設(shè)備，數(shù)據(jù)采集單位周期為車輛線路單向全程。采集數(shù)據(jù)為受電弓板簧動(dòng)態(tài)受力情況，單位周期內(nèi)板簧受力載荷記錄情況見圖5。

圖4 受電弓弓頭板簧力傳感器分布及數(shù)據(jù)采集示意圖

圖5 廈門地鐵1號(hào)線受電弓板彈簧線路歷程載荷

2.3 板簧疲勞壽命預(yù)計(jì)

根據(jù)廈門地鐵1號(hào)線線路試驗(yàn)實(shí)測(cè)受電弓板簧載荷情況查看其載荷分布符合隨機(jī)載荷特性，故結(jié)合雨流法，把不規(guī)律的實(shí)測(cè)載荷歷程轉(zhuǎn)化為具有一定規(guī)律的載荷情況后進(jìn)行疲勞計(jì)算，并根據(jù)Miner線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞壽命分析，即構(gòu)件損傷之和等于1時(shí)構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞[4]。

(3)

式(3)中，k為交變載荷的應(yīng)力水平級(jí)數(shù)；ni為第i級(jí)載荷Si在載荷譜一個(gè)循環(huán)中發(fā)生的次數(shù)；Ni為第i級(jí)載荷Si單獨(dú)作用下的破壞循環(huán)數(shù)，B為在應(yīng)力載荷譜作用下達(dá)到疲勞所需的載荷譜塊數(shù)，即為部件達(dá)到疲勞破壞實(shí)際循環(huán)次數(shù)，此式為ANSYS有限元分析中隨機(jī)載荷壽命預(yù)計(jì)理論依據(jù)。

圖6 0Cr17Ni7Al 材料S-N曲線

根據(jù)ANSYS軟件FATIGUE模塊對(duì)板簧進(jìn)行隨機(jī)載荷壽命預(yù)測(cè)，設(shè)置疲勞強(qiáng)度因子為0.8；如圖6所示，S-N曲線參照唐玉婷[3]關(guān)于0Cr17Ni7Al 材料的S-N試驗(yàn)結(jié)果；仿真計(jì)算中載荷加載情況即為實(shí)際線路試驗(yàn)實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)參照?qǐng)D5；板簧設(shè)計(jì)壽命為55 000次單向循環(huán)(車輛運(yùn)行10年或1 250 000 km測(cè)算對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù))。

通過仿真計(jì)算分析查看板簧壽命云圖7可知，最大壽命為1.03×106次循環(huán)，最小壽命為1.97×105次循環(huán)。查看安全系數(shù)云圖8，以設(shè)計(jì)壽命55 000次循環(huán)作為設(shè)計(jì)壽命，最小安全系數(shù)為1.29，滿足壽命預(yù)計(jì)及使用要求，疲勞薄弱環(huán)節(jié)位于板簧連接固定根部和折彎位置處，與實(shí)際損傷及仿真分析位置一致。

圖7 壽命云圖

圖8 安全系數(shù)云圖

另外通過查看仿真結(jié)果可知雨流陣列及對(duì)應(yīng)的損傷矩陣均發(fā)生在低應(yīng)力范圍，如圖9所示，分析結(jié)果以三坐標(biāo)形式表示，Z軸方向表示循環(huán)次數(shù)，X軸方向表示動(dòng)強(qiáng)度(即為幅值/MPa)，Y軸方向表示靜強(qiáng)度(即為均值/MPa)；通過損傷陣列結(jié)果可知疲勞損傷主要由高幅應(yīng)力循環(huán)作用造成，圖10中高損傷區(qū)域?qū)?yīng)圖9中高應(yīng)力值，當(dāng)損傷值達(dá)到1時(shí)即為疲勞破壞，實(shí)際仿真表明板簧滿足疲勞設(shè)計(jì)要求，未造成疲勞損傷，如圖10所示，Z軸方向表示損傷率，X軸方向表示動(dòng)強(qiáng)度(即為幅值/MPa)，Y軸方向表示靜強(qiáng)度(即為均值/MPa)；實(shí)際線路載荷試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)中高應(yīng)力區(qū)域主要發(fā)生在接觸網(wǎng)硬點(diǎn)處，圖9中所示為載荷突變點(diǎn)(應(yīng)力幅值和均值較大點(diǎn))即為硬點(diǎn)造成的載荷突變，所以通過仿真分析可知接觸網(wǎng)質(zhì)量會(huì)直接影響到受電弓弓頭板簧的壽命。

圖9 雨流陣列結(jié)果

圖10 損傷陣列結(jié)果

綜上，根據(jù)線路實(shí)測(cè)受電弓板簧載荷試驗(yàn)情況，并結(jié)合仿真軟件對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)計(jì)，最小壽命為1.97×105次循環(huán)，滿足設(shè)計(jì)壽命為55 000次(車輛運(yùn)行10年或1 250 000 km測(cè)算對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù))要求，最小安全系數(shù)為1.29。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)城軌用受電弓構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析，在極限載荷情況下，各部件滿足使用要求，并查看受電弓弓頭板簧為最大受力環(huán)節(jié)薄弱點(diǎn)。

(2)結(jié)合線路試驗(yàn)載荷歷程數(shù)據(jù)，對(duì)受電弓弓頭板簧進(jìn)行壽命預(yù)計(jì)，滿足地鐵車輛10年或者1 250 000 km架大修使用要求，但需要嚴(yán)格按照架大修進(jìn)行板簧更換，防止由于疲勞損傷造成的部件破壞。

(3)根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)硬點(diǎn)對(duì)受電弓弓頭板簧結(jié)構(gòu)件疲勞壽命造成的損傷較大，后續(xù)應(yīng)在維護(hù)過程中應(yīng)加強(qiáng)接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的維護(hù)。

(4)由于弓頭板簧上質(zhì)量在一方面決定受流質(zhì)量，如何優(yōu)化板簧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)減少板簧質(zhì)量且不影響壽命的同時(shí)，在后續(xù)研究過程中將進(jìn)行進(jìn)一步分析。