轉(zhuǎn)向架軸端接地端子裂紋原因分析及解決措施*

聶顯鵬 宋慶偉 李春來 王緒英 徐石磊 王 晗 楊 壯

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,130062,長(zhǎng)春)

隨著城市軌道交通領(lǐng)域的不斷發(fā)展,地鐵列車的服役里程逐漸增加,而其外部運(yùn)營(yíng)環(huán)境及線路條件也隨之發(fā)生著變化,轉(zhuǎn)向架承載部件裂紋、斷裂故障不斷發(fā)生且呈日趨增多的趨勢(shì)[1-5]。某線路地鐵列車轉(zhuǎn)向架投入運(yùn)營(yíng)后,出現(xiàn)了多起轉(zhuǎn)向架軸端接地線纜的接地端子(以下簡(jiǎn)稱“接地端子”)裂紋故障,影響列車的行車安全。本文通過在線路上進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,對(duì)接地端子裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低軸端支架的固有模態(tài),提升接地端子的疲勞壽命。本文研究可為轉(zhuǎn)向架軸端懸掛部件的設(shè)計(jì)提供工程經(jīng)驗(yàn)及理論基礎(chǔ)。

1 接地端子裂紋原因分析

1.1 裂紋情況

某線路地鐵列車于2018年開始上線運(yùn)行,車輛運(yùn)營(yíng)約1萬km后,接地端子的圓弧位置處陸續(xù)出現(xiàn)裂紋。后續(xù)對(duì)其他列車進(jìn)行普查,共計(jì)發(fā)現(xiàn)接地端子存在類似故障10余處。

1.2 理化分析

對(duì)斷裂的接地端子進(jìn)行理化檢驗(yàn)。分析結(jié)果表明,接地端子的化學(xué)成分、金相組織均滿足相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)要求,接地端子斷口屬于多源疲勞斷口,在靠近端子接頭兩側(cè)邊緣斷口上的放射臺(tái)階棱線高度差較大。這說明該接地端子在工作狀態(tài)下可能承受了橫向彎曲應(yīng)力,并最終導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。

1.3 振動(dòng)測(cè)試分析

為了掌握列車運(yùn)行工況及接地端子的工作狀態(tài),在列車運(yùn)行線路上對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試,在軸箱、接地端子、線纜支架等零件上布置了應(yīng)力測(cè)點(diǎn)及加速度傳感器。通過對(duì)測(cè)試所得加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),接地端子、軸端支架的應(yīng)力主頻集中于70～120 Hz范圍內(nèi),且該頻帶不隨列車運(yùn)行速度的變化而變化,屬于輪軌接觸系統(tǒng)的固有模態(tài)。

選取測(cè)試列車軸端的軸箱加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并與接地端子及線纜支架的應(yīng)力頻譜對(duì)比后可知,軸箱的振動(dòng)頻率也集中于70～120 Hz范圍內(nèi),說明接地端子和軸端支架的振動(dòng)是由軸箱振動(dòng)傳遞所導(dǎo)致的。

1.4 頻率來源分析

通過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和線路異常振動(dòng)區(qū)間發(fā)現(xiàn),軸箱的振動(dòng)主頻70～120 Hz均分布于普通道床線路上,說明該頻率成分與列車運(yùn)行速度無關(guān),是列車在普通道床上運(yùn)行時(shí)特有的振動(dòng)特征。

1.5 能量傳遞路徑分析

為分析能量傳遞路徑(能量傳遞路徑1——由軸箱傳遞至接地端子;能量傳遞路徑2——由軸箱傳遞至線纜支架和線夾板,經(jīng)過線纜后傳遞至接地端子)對(duì)接地端子應(yīng)力的影響,在滾振試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)接地端子安裝系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架掃頻試驗(yàn)。在普通道床線路上,當(dāng)激擾頻率為70～120 Hz時(shí),對(duì)比分析線纜的接地端子應(yīng)力響應(yīng)情況。

當(dāng)激擾頻率為70～120 Hz時(shí),接地端子應(yīng)力為34.82 MPa;當(dāng)無線纜支架固定時(shí),接地端子應(yīng)力僅為13.95 MPa,說明接地端子應(yīng)力主要受線纜支架的振動(dòng)傳遞影響,即路徑2的影響最大。當(dāng)接地端子在線纜支架上固定時(shí),激擾頻率為80～95 Hz所對(duì)應(yīng)的接地端子應(yīng)力幅值明顯增大,說明線纜、夾線板和支架組成的系統(tǒng)在該頻率范圍內(nèi)存在固有模態(tài)。

通過上述分析可以判斷,當(dāng)列車在普通道床上運(yùn)行時(shí),列車在激擾頻率為70～120 Hz范圍內(nèi)存在振動(dòng)現(xiàn)象,該頻帶與安裝系統(tǒng)(支架、夾線板、線纜及接地端子)90 Hz左右的固有模態(tài)發(fā)生了共振,這是導(dǎo)致接地端子出現(xiàn)裂紋的主要原因。

2 解決措施

通過對(duì)裂紋原因進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)共振是裂紋發(fā)生的主要原因,故從通過錯(cuò)頻設(shè)計(jì)改變系統(tǒng)模態(tài)的方向考慮,設(shè)計(jì)了2種短懸臂線纜支架,并將其與文獻(xiàn)[6]中的3種變截面線纜支架進(jìn)行對(duì)比,研究不同結(jié)構(gòu)類型線纜支架對(duì)接地端子疲勞壽命的影響。不同結(jié)構(gòu)類型線纜支架照片如圖1所示。在滾振試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行掃頻試驗(yàn),分析接地端子在70～120 Hz激擾頻率下的應(yīng)力響應(yīng)。線纜支架通過工裝固定在轉(zhuǎn)向架的軸端,并用驅(qū)動(dòng)輪模擬車輪的多邊形狀態(tài),提供振動(dòng)激勵(lì)。不同結(jié)構(gòu)類型線纜支架對(duì)接地端子應(yīng)力的影響如圖2所示。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明,短懸臂線纜支架結(jié)構(gòu)方案可以顯著降低接地端子過渡圓弧位置的應(yīng)力。

a) 原型支架(支架厚度為6 mm)b) 短懸臂支架(支架厚度為6 mm)c) 短懸臂支架(支架厚度為8 mm)d) 變截面支架(支架厚度為8 mm)e) 變截面支架(支架厚度為10 mm)f) 變截面支架(支架厚度為13 mm)

圖2 不同結(jié)構(gòu)類型線纜支架對(duì)接地端子應(yīng)力的影響

3 線路驗(yàn)證

綜合臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果,將原型支架結(jié)構(gòu)作為對(duì)照組,選擇支架厚度為6 mm和8 mm兩種短懸臂結(jié)構(gòu)線纜支架開展線路驗(yàn)證試驗(yàn),即:方案1——原型支架(支架厚度為6 mm);方案2——短懸臂支架(支架厚度為6 mm);方案3——短懸臂支架(支架厚度為8 mm)。為對(duì)比不同方案的應(yīng)用效果,試驗(yàn)分為3次進(jìn)行。測(cè)試內(nèi)容包括接地端子應(yīng)力、線纜支架應(yīng)力,以及接地端子、線纜支架和軸箱系統(tǒng)的振動(dòng)情況。

3.1 接地端子應(yīng)力分析

3種方案的接地端子應(yīng)力對(duì)比如圖3所示。由圖3可知:方案1的接地端子應(yīng)力大于方案2和方案3的接地端子應(yīng)力,且方案2與方案3的接地端子應(yīng)力水平相當(dāng)。3種方案的接地端子應(yīng)力主頻對(duì)比如圖4所示。方案1的接地端子應(yīng)力主頻約為90 Hz。方案2的接地端子應(yīng)力主頻約為80～200 Hz,無顯著主頻。方案3的接地端子應(yīng)力主頻約為180 Hz,其次為90 Hz。

a) 方案1

a) 方案1

3.2 線纜支架應(yīng)力分析

3種方案的線纜支架應(yīng)力對(duì)比如圖5所示。方案1的線纜支架應(yīng)力最大值為88 MPa,遠(yuǎn)大于方案2和方案3的線纜支架應(yīng)力。3種方案的線纜支架應(yīng)力主頻對(duì)比如圖6所示。3種方案的接地線支架主頻均集中于250 Hz以下。方案1的接地支架應(yīng)力主頻約為90 Hz。方案2的接地支架應(yīng)力主頻約為80～250 Hz,較為分散。方案3的接地支架應(yīng)力主頻約為188 Hz,其次為90 Hz。

a) 方案1

3.3 線路原因分析

通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),更換為改進(jìn)結(jié)構(gòu)的線纜支架后,部分區(qū)間接地端子及線纜支架的應(yīng)力幅值仍較大,線路上仍存在異常振動(dòng)情況,例如25 m鋼軌接頭沖擊、線路單點(diǎn)沖擊和鋼軌波磨。沖擊工況下2種方案的線纜支架應(yīng)力響應(yīng)如圖7所示。方案2和方案3雖然改變了線纜支架的厚度,提高了其結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率,避免了線纜支架和接地端子間發(fā)生共振,但由于這二者屬于懸臂結(jié)構(gòu),在軌縫接頭、波磨等沖擊下,仍會(huì)產(chǎn)生自身的固有模態(tài)振動(dòng),線纜支架應(yīng)力最高可達(dá)50 MPa。

a) 方案2

通過分析及試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)的線纜支架可以顯著提高接地端子的疲勞壽命。對(duì)于線路維護(hù)而言,需要控制鋼軌接頭的沖擊、波磨深度等因素,避免輪軌振動(dòng)帶來的沖擊激發(fā)改進(jìn)結(jié)構(gòu)線纜支架的固有模態(tài),從而保證接地端子和線纜支架的疲勞壽命。

4 結(jié)語

本文對(duì)轉(zhuǎn)向架軸端接地端子裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,線路的沖擊振動(dòng)導(dǎo)致軸箱的振動(dòng)主頻為70～120 Hz。該頻帶與軸端接地端子安裝系統(tǒng)(支架、夾線板、線纜及接地端子)的固有模態(tài)重疊,引發(fā)系統(tǒng)共振,導(dǎo)致接地端子出現(xiàn)裂紋,最終通過錯(cuò)頻設(shè)計(jì)的理念,同時(shí)提高系統(tǒng)固有模態(tài)的方法,提高了接線端子的使用壽命。

線路上部分區(qū)間的異常振動(dòng)會(huì)提升接地端子的應(yīng)力水平。由此可知,若不提高運(yùn)營(yíng)線路的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn),接地端子及線纜支架仍然存在共振的可能。建議在后續(xù)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)過程中,需要注意:轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的端部、軸端部位應(yīng)避免安裝懸臂結(jié)構(gòu)的零部件;在無法采用錯(cuò)頻設(shè)計(jì)的前提下,可以考慮通過降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu);結(jié)合我國(guó)高速動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),構(gòu)建適用于地鐵線路的運(yùn)用維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。