輔助變流器用變壓器承載結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析及優(yōu)化

李大海,何正平,孟昭明,李宇航

(1．中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 技術(shù)中心,遼寧 大連 116022;2．機(jī)車與動(dòng)車組牽引控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116022;3．大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

輔助變流器作為牽引系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,為整車的空氣壓縮機(jī)、空調(diào)、蓄電池、牽引系統(tǒng)風(fēng)機(jī)等提供穩(wěn)定的三相電源,其性能的穩(wěn)定性對(duì)整車安全運(yùn)行極為重要。輔助變流器內(nèi)安裝有質(zhì)量較大的磁性元件,需要考慮這些產(chǎn)品的安裝可靠性,而這些電氣產(chǎn)品往往受到線路條件、柜體制造工藝、安裝方式等因素的影響,吊座結(jié)構(gòu)等易發(fā)生疲勞斷裂,危及行車安全。本文以輔助變流器用變壓器吊座疲勞開裂事件為例,對(duì)吊座優(yōu)化方案前、后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

目前國內(nèi)外主要通過仿真手段和試驗(yàn)方法對(duì)振動(dòng)疲勞進(jìn)行分析和評(píng)估。學(xué)者們基于ANSYS等軟件建立有限元模型,對(duì)柜體進(jìn)行模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)分析,指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[1-5]。金煒等[6]對(duì)機(jī)車車輛車體用部件結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行了研究,在累計(jì)損傷等效的前提下針對(duì)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核、耐久性試驗(yàn)中存在的問題提出了改進(jìn)建議。丁杰等[7]基于概率統(tǒng)計(jì)方法的隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析和利用模態(tài)疊加法等數(shù)值模擬方法分析部件的受力情況和薄弱環(huán)節(jié),有效指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和樣機(jī)試驗(yàn)。王超等[8]采用準(zhǔn)靜態(tài)法對(duì)輔助變流器柜疲勞壽命進(jìn)行仿真,從而找到變流器柜的薄弱環(huán)節(jié)。鄧勇等[9]基于頻域法對(duì)隨機(jī)振動(dòng)載荷作用下的輔助變流器柜進(jìn)行疲勞壽命分析。

本文根據(jù)柜體樣機(jī)變壓器吊座安裝面的實(shí)際情況,利用有限元仿真手段對(duì)變壓器疲勞斷裂區(qū)域進(jìn)行了分析研究,通過模擬施加強(qiáng)制位移可以反映出疲勞斷裂區(qū)域周邊存在顯著的預(yù)彎曲應(yīng)力,同時(shí)對(duì)優(yōu)化前、后的吊座強(qiáng)度進(jìn)行了應(yīng)力校核,給出了優(yōu)化方案,并順利通過型式試驗(yàn)。

1 變壓器吊座疲勞斷裂的問題描述

按照型式試驗(yàn)大綱中沖擊和振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373:2010[10], Ⅰ類A級(jí)設(shè)備對(duì)該柜體進(jìn)行了增強(qiáng)隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)的模擬壽命試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)以及功能隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。在柜體垂向振動(dòng)試驗(yàn)過程中,變壓器4號(hào)吊座發(fā)生疲勞斷裂,具體裂紋位置見圖1。

圖1 變壓器吊座裂紋

變壓器配有4個(gè)吊座,采用螺栓安裝在柜體艙內(nèi),如圖2所示。其中點(diǎn)1、2、3的安裝座和柜體的吊座安裝表面貼合,點(diǎn)4的安裝平面和柜體上的固定面有3 mm縫隙,利用安裝座鋼板本身的彈性,通過螺栓強(qiáng)制擰緊貼合在柜體吊耳平面上消除了間隙。

圖2 變壓器吊座示意

2 原方案仿真計(jì)算

2.1 有限元模型建立

輔助變流器柜體結(jié)構(gòu)采用型材和鈑金件焊接而成。利用HyperMesh軟件建立整體結(jié)構(gòu)有限元模型,遠(yuǎn)離主要關(guān)注部位的橫梁吊架用中間帶節(jié)點(diǎn)的板殼單元SHELL 181模擬,關(guān)注部位的吊座及附近連接部位,采用體單元SOLID 185進(jìn)行模擬?？紤]模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率,螺栓連接處用梁?jiǎn)卧狟EAM 188,通過剛性連接進(jìn)行模擬。變壓器、功率模塊等柜體內(nèi)部電氣元件采用質(zhì)量點(diǎn)單元MASS 21模擬。斷裂吊座用較細(xì)的實(shí)體網(wǎng)格建模,并在吊座上施加了3 mm的強(qiáng)制位移,在加速度工況中計(jì)入預(yù)應(yīng)力的影響,見圖3。

圖3 3 mm強(qiáng)制位移施加位置

2.2 3 mm間隙的強(qiáng)制螺栓緊固模擬

為了驗(yàn)證3 mm強(qiáng)制位移是否可以模擬螺栓強(qiáng)制擰緊貼合消除間隙帶來的預(yù)彎曲應(yīng)力狀態(tài),在變壓器4號(hào)吊座上施加了垂直向下的3 mm強(qiáng)制位移之后,又在上、下板螺栓孔位置處,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別施加上、下兩個(gè)方向的1 000 N垂向載荷(見圖3),并采用兩個(gè)工況計(jì)算強(qiáng)制緊固過程中的位移量變化。將預(yù)處理好的模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析,垂向力作用下吊點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)位移變化見圖4。

(a) 1 000 N載荷垂直向上

計(jì)算結(jié)果表明,在模擬螺栓強(qiáng)制緊固情況中,變壓器吊座部分(A)的位移為5.54 mm,遠(yuǎn)大于安裝座(B)的垂向位移(0.19 mm)。這是因?yàn)檩d荷垂直向下時(shí),強(qiáng)制位移預(yù)彎曲應(yīng)力與載荷方向相同,疊加載荷造成的垂向位移較大;反之亦然,載荷垂直向上時(shí),強(qiáng)制位移的預(yù)彎曲應(yīng)力抵消了部分載荷,垂向位移減小。這說明3 mm強(qiáng)制位移施加可以真實(shí)反映強(qiáng)制緊固導(dǎo)致的預(yù)彎曲應(yīng)力。

2.3 原方案仿真結(jié)果

吊座裂紋出現(xiàn)在垂向振動(dòng)試驗(yàn)過程中,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373:2010中對(duì)I類A級(jí)設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)要求,在經(jīng)過預(yù)彎曲應(yīng)力模擬后,對(duì)模型施加4.25 m/s2的垂向加速度。原方案變壓器吊座處主應(yīng)力云圖見圖5,圖中也分別給出了4個(gè)吊座點(diǎn)的焊趾處主應(yīng)力值。

圖5 原方案變壓器吊座處主應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果表明,原方案中吊座的應(yīng)力分布相對(duì)集中于焊趾處。這是因?yàn)樽儔浩鞯踝逄幋嬖趧偠韧蛔?易導(dǎo)致應(yīng)力集中。斷裂位置局部有限元模型見圖6,吊座4通過螺栓強(qiáng)制擰緊消除間隙的方法,導(dǎo)致了在振動(dòng)試驗(yàn)之前吊座立板焊縫焊趾處就存在顯著的預(yù)彎曲應(yīng)力,兩方面因素的疊加使得該處應(yīng)力集中加劇,這對(duì)后續(xù)的疲勞振動(dòng)試驗(yàn)有顯著影響。斷裂位置剛好處在焊趾處,同時(shí)該處也是抗彎剛度突變的位置,立板區(qū)域(斷裂位置右側(cè))抗彎剛度較大,而斷裂位置左側(cè)剛度較小。

圖6 斷裂位置局部有限元模型

3 改進(jìn)方案仿真計(jì)算

為了增大吊座筋板附近焊趾處抗彎剛度,改進(jìn)方案在原方案的基礎(chǔ)上在吊點(diǎn)位置增加了U型加強(qiáng)板,改進(jìn)方案與原方案對(duì)比見圖7。

圖7 兩方案對(duì)比

改進(jìn)方案與原方案采用相同的前處理,再次導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行仿真。圖8給出了改進(jìn)方案中變壓器吊座處主應(yīng)力。

圖8 改進(jìn)方案變壓器吊座處主應(yīng)力云圖

從圖8可知,改進(jìn)方案比原方案在變壓器吊座焊趾處的主應(yīng)力顯著降低。由于結(jié)構(gòu)整體得到了剛度協(xié)調(diào),焊趾處的應(yīng)力集中得到極大緩解,整體應(yīng)力分布更加均勻,提高了結(jié)構(gòu)整體的疲勞壽命。

4 兩種方案壽命預(yù)測(cè)對(duì)比

雖然在隨機(jī)振動(dòng)疲勞的計(jì)算中無法計(jì)入3 mm引起的預(yù)應(yīng)力效應(yīng),無法直接計(jì)算其準(zhǔn)確壽命。但是通過引入BS 7608:2014+Al:2015標(biāo)準(zhǔn),就可以得到改進(jìn)方案的壽命提升效果。

BS 7608:2014+Al:2015標(biāo)準(zhǔn)[11]將焊接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)分為10個(gè)等級(jí)、50多種具體的接頭形式,并給出了相應(yīng)的S-N曲線。S-N曲線不僅考慮了焊接接頭應(yīng)力集中、尺寸與形狀的不連續(xù)性,還考慮了應(yīng)力方向、殘余應(yīng)力、焊接工藝和焊后處理工藝對(duì)焊縫疲勞強(qiáng)度的影響。其中,疲勞壽命與應(yīng)力范圍的關(guān)系為:

N=C/Δσm或N=C/Δτm

(1)

其S-N曲線表達(dá)形式為:

logN= logC-mlog Δσ

(2)

可以看出,通過減少應(yīng)力集中、降低應(yīng)力范圍可以顯著提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。根據(jù)焊縫的結(jié)構(gòu)與載荷形式,選擇了標(biāo)準(zhǔn)中F等級(jí)的S-N曲線參數(shù)(標(biāo)稱失效概率為2.3%),并分別計(jì)算了改進(jìn)前、后吊座焊趾處的疲勞壽命,結(jié)果對(duì)比見表1,其中吊座2與吊座4的應(yīng)力小于等級(jí)要求的40 MPa,可視為無限疲勞壽命。

表1 改進(jìn)前、后兩種吊座焊趾處壽命對(duì)比

從主應(yīng)力下降程度來看,吊座壽命會(huì)有顯著提升。但是焊縫實(shí)際壽命受到工藝、制造誤差、材料缺陷等多方面因素的影響,壽命提升比例僅供參考。

5 結(jié)論

(1)本文通過分析變壓器吊座貫穿式裂紋斷口位置以及安裝方式,找出了發(fā)生斷裂的原因,并應(yīng)用有限元法對(duì)優(yōu)化后的吊座進(jìn)行了強(qiáng)度校核,改進(jìn)方案下吊座抗彎剛度大幅提升的同時(shí)顯著降低疲勞應(yīng)力,提高了產(chǎn)品壽命。

(2)雖然樣機(jī)整體吊耳焊接平面度超差是導(dǎo)致吊座產(chǎn)生裂紋的主要原因,但同時(shí)也暴露出變壓器吊座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷,在吊座結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí),樣機(jī)及批量產(chǎn)品吊耳上增加了厚度為0.5～1 mm的調(diào)整墊片,輔助變流器柜體在后續(xù)的型式試驗(yàn)中順利通過,同時(shí)批量產(chǎn)品也經(jīng)歷了近5年的安全載客運(yùn)營考核,證明了優(yōu)化后的方案能夠滿足安全運(yùn)用需求。