劉志遠(yuǎn),馬 克,徐成祥,付媛媛,程亞軍（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心,長(zhǎng)春 130062）

深圳地鐵2號(hào)線一系安全吊改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉志遠(yuǎn),馬 克,徐成祥,付媛媛,程亞軍
（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心,長(zhǎng)春 130062）

摘 要：介紹了深圳地鐵2號(hào)線一系安全吊發(fā)生裂紋的原因分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)。關(guān)鍵詞：一系安全吊；裂紋；原因分析；設(shè)計(jì)改進(jìn)

深圳地鐵2號(hào)線車輛于2010年先后投入運(yùn)營(yíng)，在2013年12月對(duì)車輛進(jìn)行檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分轉(zhuǎn)向架一系安全吊存在貫穿性裂紋。長(zhǎng)客股份通過(guò)對(duì)材料的化學(xué)成分分析、線路測(cè)試、有限元分析等方法確定了裂紋產(chǎn)生的原因，并對(duì)一系安全吊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 一系安全吊結(jié)構(gòu)

深圳地鐵2號(hào)線一系安全吊由鋼板機(jī)加而成，鋼板材質(zhì)為符合EN10025標(biāo)準(zhǔn)的S355J2C+N，厚度為15mm，該起吊板與軸箱之間采用8.8級(jí)M12x90螺栓和8級(jí)防松螺母進(jìn)行連接的，緊固力矩為80Nm。裂紋位置為安全吊的螺栓安裝孔處，見圖1。

2 原因分析

2.1 材質(zhì)分析

（1）宏觀檢查。安全吊的斷裂位置均發(fā)生在安全吊下端部的一個(gè)螺栓孔處。經(jīng)檢查，斷裂安全吊的斷口形貌均呈現(xiàn)雙向彎曲疲勞斷口特征。

（2）化學(xué)成分分析。在斷裂起吊板上截取材質(zhì)分析樣品，起吊板的材質(zhì)化學(xué)成分分析符合EN10025-2-2004標(biāo)準(zhǔn)中355J2 C+N鋼的要求。

（3）金相檢測(cè)。金相檢測(cè)斷裂起吊板在斷裂位置的截面區(qū)既無(wú)材料冶金缺陷，也無(wú)加工缺陷，斷裂起吊板的基體金相組織為正火組織，略呈帶狀分布。

（4）材質(zhì)分析結(jié)果。起吊板材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且無(wú)材料冶金缺陷和加工缺陷，開裂的斷口表面有疲勞貝殼弧線，說(shuō)明該件屬于疲勞斷裂。

2.2 線路測(cè)試分析

（1）安全吊模態(tài)分析。對(duì)安全吊進(jìn)行了有限元模態(tài)計(jì)算，安全吊一階固有頻率為371Hz，振型為橫向彎曲。線路測(cè)試前，對(duì)安全吊進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試，一階固有頻率為346Hz，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相似。

（2）振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)分析。根據(jù)全程線路測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，軸箱加速度沒(méi)有存在特別大的區(qū)間，而安全吊橫向加速度在部分區(qū)間如赤灣-蛇口、蛇口-海上世界兩個(gè)區(qū)間異常，幅值達(dá)到-300g—+400g，正常線路為-150g—150g，初步推測(cè)該這兩個(gè)區(qū)段部分線路存在波浪型磨耗，車輛通過(guò)時(shí)，軸箱加速度頻域與安全吊固有頻率產(chǎn)生共振所致。

根據(jù)車輛運(yùn)行速度可推算線路波浪形磨耗波長(zhǎng)為0.0565m左右，與工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值相符，因此可認(rèn)定線路存在波浪形磨耗。

（3）波磨線路的數(shù)據(jù)分析。截取波磨區(qū)段（蛇口-海上世界）的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行STFT變換，均在300Hz左右頻率，與安全吊發(fā)生共振。時(shí)域、頻域傳遞關(guān)系分析結(jié)果顯示，軸箱垂向加速度傳遞至安全吊，無(wú)放大現(xiàn)象；軸箱橫向加速度傳遞至安全吊，將其放大數(shù)倍；波磨線路上波磨頻率與安全吊一階模態(tài)發(fā)生共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞。

（4）安全吊動(dòng)應(yīng)力頻率成分分析。安全吊動(dòng)應(yīng)力的主要能量集中于一階固有頻率附近。安全吊的絕大部分能量集中于300-350Hz之間，該頻帶不隨運(yùn)營(yíng)速度的變化而變化。為分析各個(gè)能量所占比重，將動(dòng)應(yīng)力320-360Hz帶通濾波。濾波后幅值下降不明顯，說(shuō)明該頻帶能量較高，是造成安全吊疲勞損傷的主要原因。

（5）安全吊疲勞壽命評(píng)估。對(duì)深圳地鐵2號(hào)線往返測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行安全壽命評(píng)估，安全吊使用壽命評(píng)估結(jié)果顯示，安全吊最低壽命約為40萬(wàn)公里，最低壽命出現(xiàn)在安全吊的螺栓安裝孔處（即安全吊斷裂位置）。

對(duì)于壽命最低的測(cè)點(diǎn)，如果去除波磨區(qū)段動(dòng)應(yīng)力的影響，則其壽命為：1755752199個(gè)往返,為無(wú)限壽命。

（6）線路測(cè)試分析結(jié)果。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，確定全吊斷裂的主要原因是波磨頻率與安全吊一階模態(tài)發(fā)生共振，振動(dòng)被放大多倍，導(dǎo)致安全吊應(yīng)力偏大，發(fā)生疲勞斷裂。

3 改進(jìn)方案

由于一系安全吊的斷裂主因?yàn)榘踩跻浑A模態(tài)與波磨線路的波磨頻率發(fā)生共振，因此需要進(jìn)行以下兩方面的改進(jìn)：

（1）對(duì)波磨線路進(jìn)行打磨，消除波磨頻率的影響；

（2）提高安全吊的一階固有頻率，避開線路的波磨頻率。

為了增加安全吊的一階固有頻率，通過(guò)對(duì)安全吊與軸箱的連接部位（即出現(xiàn)裂紋的部位）進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加連接部位的厚度，從而有效提高安全吊的一階固有頻率。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)見圖2，其一階固有頻率為485Hz，振型仍為橫向彎曲。

因此，改進(jìn)后的一系安全吊有效避開了線路的波磨頻率，能夠解決由于共振引起的斷裂問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]深圳地鐵蛇口安全吊線試驗(yàn)測(cè)試報(bào)告[R].西南交大,2014(06).