絕緣盤剛度對軸端接地裝置強度的影響

黃學(xué)君

(1 大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室， 湖南株洲 412001；2 中車株洲電力機車有限公司， 湖南株洲 412001)

軸端接地裝置安裝在軌道車輛轉(zhuǎn)向架車軸端部的軸箱上，軸箱通過滾動軸承安裝在車軸的兩個端部，軸箱的作用是把軌道車輛輪軸沿軌道的滾動運動變換為軸箱及安裝于其上的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架沿軌道的平動運動。

軸端接地裝置是整車接地系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)了軌道車輛輪軸以上所有部件的接地工作，同時又構(gòu)成了牽引電流的回路。軸端接地裝置中在殼體與刷架之間夾裝了絕緣盤，使得接地電流按照整車接地線、刷架、碳刷、軸端、車輪的方向流向鐵軌，防止工作電流或系統(tǒng)故障電流以及雷電電流通過沿著軸箱、軸承外圈、滾動體、軸承內(nèi)圈、車軸的路徑通過軸承，以免對軸承造成電蝕損傷，為軸箱與車軸之間的滾動軸承提供了有效的保護。

1 軸端接地裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

某型軸端接地裝置主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。M10的雙頭螺柱用來把絕緣盤緊固在殼體上，雙頭螺柱一端帶螺母，不帶螺母的另一端埋入殼體。M8的螺栓用來把刷架緊固在絕緣盤上，螺栓尾端不帶螺母，且完全埋入刷架。

除摩擦盤直接安裝在車軸端面外，軸端接地裝置其他部件全部直接或間接集成于殼體，殼體通過螺栓安裝在軸箱上。絕緣盤用來隔離刷架與殼體，刷架中安裝了能伸縮的碳刷，碳刷與安裝在車軸端面的隨車軸旋轉(zhuǎn)的摩擦盤直接接觸，軌道車輛整車接地線直接與刷架連接，經(jīng)過刷架與旋轉(zhuǎn)的車軸車輪構(gòu)成接地回路。端蓋對軸端接地裝置及車軸起防塵防水作用。絕緣盤使車輛軸箱以上部件避開軸箱直接經(jīng)過車軸車輪構(gòu)成接地回路，防止電流經(jīng)過軸承對軸承造成電蝕。

1-殼體;2-絕緣盤;3-刷架;4-端蓋;5-M10的雙頭螺柱;6-M8的螺栓。圖1 某型軸端接地裝置主要結(jié)構(gòu)

2 絕緣盤剛度對螺栓連接的影響

根據(jù)文獻[1]，安裝于軸箱的接地裝置需要按照輪軸安裝方式的設(shè)備必須承受的沖擊載荷校核其強度，在垂向、橫向和縱向需要分別按承受±70g、±10g、±10g的超常沖擊加速度校核靜強度，在垂向、橫向和縱向需要分別按承受±25g、±5g、±5g的疲勞沖擊加速度校核疲勞強度。

軸端接地裝置中絕緣盤把直接安裝于軸箱的殼體與刷架隔離開了，使得整車接地電流不按軸箱、軸承外圈、滾珠、軸承內(nèi)圈、車軸的路徑流向鐵軌，從而使軸承得到了保護。為了確保絕緣盤具有可靠的絕緣功能，絕緣盤與殼體以及絕緣盤與刷架之間需要分別用螺栓進行緊固，并需要施加足夠的螺栓預(yù)緊力，防止在車輛運行過程中由于沖擊載荷的作用使螺栓出現(xiàn)松動。絕緣盤是軸端接地裝置中剛度較小的部件，在軸端接地裝置整個裝配體中，由于連接螺栓的緊固作用，各個部件中的應(yīng)力分布會隨絕緣盤的剛度變化而變化。

圖2 螺栓連接工作狀態(tài)時力與變形的關(guān)系

圖3 平板類螺柱連接

3 絕緣盤剛度的影響因素

4 絕緣盤剛度對結(jié)構(gòu)強度影響的仿真分析

根據(jù)以上分析，可以通過改變絕緣盤材料的彈性模量和絕緣盤厚度來改變絕緣盤的剛度，從而達到改變軸端接地裝置中的應(yīng)力分布的目的。下面分別分析絕緣盤材料彈性模量和絕緣盤厚度對軸端接地裝置應(yīng)力的影響。

4.1 建立軸端接地裝置計算模型

采用經(jīng)典Ansys平臺建立如圖4所示的計算模型，模型主要由端蓋、刷架、絕緣盤、殼體等組成。刷架通過3個M8的A2-70螺栓安裝在絕緣盤上，絕緣盤由4個M10的A4-70雙頭螺柱緊固在殼體上，端蓋安裝在刷架上。根據(jù)螺栓選型結(jié)果，對兩組螺栓分別施加預(yù)緊力，其中，3個M8的A2-70螺栓每個螺栓施加的預(yù)緊力為13 100 N，4個M10的A4-70雙頭螺柱每個螺柱施加的預(yù)緊力為20 800 N。各個接觸面分別建立接觸對。采用psmesh命令對螺栓和雙頭螺柱建立施加預(yù)緊力的截面，采用sload命令對螺栓和雙頭螺柱施加預(yù)緊力。

圖4 軸端接地裝置計算模型

4.2 軸端接地裝置材料參數(shù)

軸端接地裝置各個部件材料參數(shù)見表1。

表1 軸端接地裝置各個部件材料參數(shù)

4.3 計算工況及評價準(zhǔn)則

按照文獻[1]規(guī)定，軸端附屬設(shè)備的超常加速度按照這樣的設(shè)計值取值：垂向±70g，橫向±10g，縱向±10g。參照這個標(biāo)準(zhǔn)，為簡化起見，考慮最惡劣工況，計算如下典型工況：垂向70g(慣性力指向下方)、縱向10g，橫向10g(慣性力遠離軸端)。

同時需要對連接絕緣盤與刷架的螺栓和絕緣盤與殼體的螺柱施加預(yù)緊力。參照文獻[3]，螺栓預(yù)緊力

(1)

其中M為擰緊力矩，P為螺距，d2為螺栓螺紋中徑，μc為螺紋摩擦系數(shù)，μk為螺栓頭部承載面積的摩擦系數(shù)，dw為螺栓頭或螺母承載區(qū)域摩擦力矩的有效直徑。由螺栓擰緊力矩17.3 Nm，按式(1)求得螺栓預(yù)緊力為13.1 kN,由螺柱擰緊力矩34 Nm，按式(1)求得螺柱預(yù)緊力為20.8 kN。

按照文獻[4]規(guī)定的評價方法對軸端接地裝置仿真計算結(jié)果進行評價。由于軸端接地裝置中沒有焊接件，因此按照無焊縫區(qū)材料選取安全系數(shù)進行評價。選取材料屈服強度σs進行評價時，在超常載荷工況下就選取1.0的安全系數(shù)。

4.4 絕緣盤材料彈性模量對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

絕緣盤材料彈性模量取值13 000 MPa，對超常沖擊加速度典型工況進行靜強度校核，軸端接地裝置應(yīng)力計算結(jié)果如圖5～圖10所示，絕緣盤的最大應(yīng)力為63.65 MPa，小于其抗壓強度120 MPa。端蓋及殼體的最大應(yīng)力為98.77 MPa，小于其屈服強度260 MPa。刷架最大應(yīng)力為72.63 MPa，小于其屈服強度120 MPa。M8螺栓最大應(yīng)力為434.139 MPa，小于螺栓屈服強度450 MPa。M10雙頭螺柱最大應(yīng)力為370.318 MPa，小于螺柱屈服強度450 MPa，按照文獻4的強度評價方法進行強度評價，滿足強度要求。

為考察絕緣盤材料彈性模量的變化對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，絕緣盤彈性模量分別取不同值：1 280 MPa、6 000 MPa、11 000 MPa、13 000 MPa、16 000 MPa、20 000 MPa、30 000 MPa、70 000 MPa，考察絕緣盤彈性模量取不同值時軸端接地裝置的應(yīng)力情況。經(jīng)計算得到絕緣盤彈性模量各種取值情況下軸端接地裝置各個部件的最大應(yīng)力如表2所示，根據(jù)表2繪制成圖11所示的軸端接地裝置各個部件最大應(yīng)力隨絕緣盤彈性模量變化的關(guān)系圖。為考察各個部件材料的承載能力在絕緣盤彈性模量取不同值的情況下發(fā)揮的程度，由表2得到表3 所示的軸端接地裝置各個部件材料利用率與絕緣盤彈性模量之間的關(guān)系，同時繪制圖12所示的各個部件材料利用率隨絕緣盤彈性模量變化的關(guān)系圖。

圖5 軸端接地裝置應(yīng)力云圖

圖6 絕緣盤應(yīng)力云圖

從表2及圖11看出，當(dāng)絕緣盤彈性模量小于20 000 MPa 時，端蓋及殼體、刷架、M8螺栓、M10螺柱的最大應(yīng)力隨著絕緣盤彈性模量的增大而減小，其中M8螺栓的最大應(yīng)力隨絕緣盤彈性模量增大顯著減??；當(dāng)絕緣盤彈性模量大于20 000 MPa時，M10螺柱的最大應(yīng)力又隨絕緣盤彈性模量增大呈現(xiàn)緩慢增大趨勢；當(dāng)絕緣盤彈性模量小于50 000 MPa時，結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力均出現(xiàn)在M8螺栓，而且當(dāng)絕緣盤彈性模量小于11 000 MPa時，M8螺栓的最大應(yīng)力將超過450 MPa，超出了M8螺栓的屈服強度，導(dǎo)致M8螺栓的安全系數(shù)小于1；絕緣盤的最大應(yīng)力始終隨著絕緣盤彈性模量的增大而增大。

圖7 端蓋及殼體應(yīng)力云圖

圖8 M8螺栓應(yīng)力云圖

圖9 M10螺柱應(yīng)力云圖

圖10 刷架應(yīng)力云圖

表2 軸端接地裝置各個部件最大應(yīng)力與絕緣盤彈性模量的關(guān)系 MPa

從表3及圖12看出，當(dāng)絕緣盤彈性模量小于11 000 MPa 時，M8螺栓的材料利用率將大于1；當(dāng)絕緣盤彈性模量小于20 000 MPa時，端蓋及殼體、刷架、M8螺栓、M10螺柱的材料利用率隨著絕緣盤彈性模量的增大而減小，其中M8螺栓的材料利用率隨絕緣盤彈性模量增大顯著減?。划?dāng)絕緣盤彈性模量大于20 000 MPa時，M10螺柱的材料利用率又隨絕緣盤彈性模量增大緩慢增大，同時，端蓋及殼體、刷架、M8螺栓的材料利用率隨絕緣盤彈性模量增大緩慢減?。唤^緣盤材料利用率始終隨著絕緣盤彈性模量的增大呈現(xiàn)增大趨勢。

4.5 絕緣盤厚度對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

圖11 各個部件最大應(yīng)力隨絕緣盤彈性模量變化的關(guān)系

圖12 各個部件材料利用率隨絕緣盤彈性模量變化的關(guān)系

表3 軸端接地裝置各個部件材料利用率與絕緣盤彈性模量的關(guān)系

表4 軸端接地裝置各個部件最大應(yīng)力與絕緣盤厚度的關(guān)系

圖13 絕緣盤剛度與絕緣盤厚度之間的關(guān)系

從計算結(jié)果看出，絕緣盤厚度越大，則絕緣盤剛度越小，對軸端接地裝置應(yīng)力分布的影響與絕緣盤材料彈性模量越小，則絕緣盤剛度越小對軸端接地裝置應(yīng)力分布的影響是一致的。

5 結(jié) 論

該型軸端接地裝置絕緣盤的剛度對軸端接地裝置中各個部件的應(yīng)力分布產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)絕緣盤彈性模量小于20 000 MPa時，端蓋及殼體、刷架、M8螺栓、M10螺柱的最大應(yīng)力隨著絕緣盤彈性模量的增大而顯著減小。

該型軸端接地裝置中，當(dāng)絕緣盤彈性模量小于11 000 MPa 時，M8螺栓的最大應(yīng)力將超過450 MPa，導(dǎo)致M8螺栓的安全系數(shù)小于1，材料利用率大于1，因此，絕緣盤彈性模量不能小于11 000 MPa。

該型軸端接地裝置中，絕緣盤厚度為10 mm時，M8螺栓的應(yīng)力略小于其材料屈服強度，軸端接地裝置中M8螺栓的材料利用率率先達到最大值，接近了1。因此，絕緣盤設(shè)計厚度不宜超過10 mm。

絕緣盤的應(yīng)力和材料利用率都隨著絕緣盤剛度增大而增大。

軸端接地裝置中連接絕緣盤的螺栓和螺柱的材料利用率始終是最大的，因此，連接絕緣盤的螺栓和螺柱是軸端接地裝置中的強度薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計中應(yīng)特別關(guān)注。