秦 烺， 沈龍江， 陳國(guó)勝， 申長(zhǎng)宏， 程 雄

(大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南株洲 412001)

根據(jù)IEC 61373、EN 13749等標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)開(kāi)展的線路振動(dòng)試驗(yàn)研究[1]，軌道車輛轉(zhuǎn)向架上的設(shè)備承受的載荷比較大，再考慮受到可能的車輪多邊形激振[1]、踏面剝離、軌道波磨等異常情況的影響，其運(yùn)行工況較為惡劣。根據(jù)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，腳蹬[1]、掃石器[2-3]、撒沙支架等若采用懸臂式結(jié)構(gòu)其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較大[2]，壽命較短，以基于IEC 61373的腳蹬裝置振動(dòng)沖擊試驗(yàn)為例闡述了試驗(yàn)過(guò)程、故障原因分析、處理措施等，通過(guò)試驗(yàn)有效排除了潛在故障從而提高了部件可靠性水平。

1 試驗(yàn)過(guò)程說(shuō)明

如圖1所示，被測(cè)的腳蹬裝置由兩件側(cè)立板(材料Q460E)、上級(jí)和下級(jí)各3根腳蹬連接桿(材料35CrMoA)和一件腳踏板、側(cè)立板上安裝的油脂罐等組成。試驗(yàn)中油脂罐用質(zhì)量塊代替，整套腳蹬裝置模擬在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的安裝狀態(tài)固定在試驗(yàn)臺(tái)的工裝上，試驗(yàn)設(shè)備在控制點(diǎn)按IEC 61373 類型2安裝在轉(zhuǎn)向架的長(zhǎng)壽命ASD頻譜輸出5～150 Hz振動(dòng)載荷，在橫向、縱向、垂向3個(gè)方向上分別按標(biāo)準(zhǔn)均方根值試驗(yàn)持續(xù)5 h無(wú)異常，則試驗(yàn)通過(guò)。

圖1 腳蹬裝置振動(dòng)沖擊試驗(yàn)發(fā)生斷裂故障

試驗(yàn)測(cè)得加速度值由控制點(diǎn)到加速度測(cè)點(diǎn)1和2逐漸增大。首次試驗(yàn)在橫向5 h完成后縱向加載不滿5 h 發(fā)生故障，如圖2所示腳蹬連接桿螺栓部分根部斷裂。后續(xù)通過(guò)調(diào)整潤(rùn)滑方式、力矩大小、墊圈材質(zhì)等方式進(jìn)行了多次優(yōu)化試驗(yàn)直至故障消除，主要情況見(jiàn)表1。

圖2 腳蹬連接桿螺栓部分?jǐn)嗔亚昂髮?duì)比圖

2 試驗(yàn)對(duì)比分析

根據(jù)表1中試驗(yàn)2腳蹬上級(jí)最內(nèi)側(cè)腳蹬連接桿發(fā)生斷裂后無(wú)操作繼續(xù)試驗(yàn)5 h無(wú)異?？芍?，該桿處存在應(yīng)力集中；對(duì)比試驗(yàn)1～4可知，在應(yīng)力集中的情況下，通過(guò)調(diào)整扭矩或潤(rùn)滑方式都無(wú)法避免發(fā)生斷裂，可見(jiàn)預(yù)緊力的大小不是關(guān)鍵影響因素；對(duì)比試驗(yàn)5和6可知，必須對(duì)上級(jí)所有腳蹬連接桿改金屬墊為橡膠墊才能通過(guò)試驗(yàn)。

表1 腳蹬裝置振動(dòng)沖擊試驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)對(duì)比分析結(jié)合文獻(xiàn)[2]推斷，靠近腳蹬裝置懸臂結(jié)構(gòu)根部的連接桿存在應(yīng)力集中是斷裂的主要原因，而橡膠墊的加入消除了應(yīng)力集中，以下將從斷口分析、有限元分析、螺栓連接校核、橡膠墊的影響等方面進(jìn)行深入闡述。

3 斷口分析

如圖3所示，該腳蹬連接桿斷口分析為高周低載疲勞斷裂，疲勞源1為掛油脂罐側(cè)，由于兩側(cè)受重力方向上的力不同，斷面沿桿軸向約45°夾角方向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到一定時(shí)期從疲勞源2處起裂，向相反方向擴(kuò)展，兩側(cè)同時(shí)擴(kuò)展，直至最終斷裂。由于腳蹬上級(jí)最內(nèi)側(cè)連接桿油脂罐側(cè)螺栓部分離油脂罐最遠(yuǎn)而離構(gòu)架安裝面最近，故其根部發(fā)生應(yīng)力集中斷裂。

圖3 腳蹬連接桿斷面宏觀形貌圖

4 有限元分析

(1)靜強(qiáng)度分析

對(duì)比圖1中實(shí)測(cè)加速度測(cè)點(diǎn)1、2和控制點(diǎn)振動(dòng)加速度由上至下逐步加大，這與懸臂式結(jié)構(gòu)有關(guān)，而靜強(qiáng)度分析無(wú)法模擬該工況，故采用Workbench均勻施加平均15g縱向載荷與重力載荷并約束安裝面，全金屬腳蹬裝置應(yīng)力云圖如圖4所示。最大應(yīng)力324 MPa相對(duì)于35CrMoA實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度823 MPa有較大安全余量，但該應(yīng)力計(jì)算未考慮腳蹬連接桿兩端螺栓連接預(yù)緊力的影響。最大應(yīng)力位置處于腳蹬上級(jí)最內(nèi)側(cè)連接桿油脂罐側(cè)螺栓部分附近，且由下級(jí)向上級(jí)、由外側(cè)向內(nèi)側(cè)各腳蹬連接桿承受的應(yīng)力大小和范圍逐漸加大。

圖4 全金屬腳蹬裝置應(yīng)力云圖

(2)模態(tài)分析

從上述計(jì)算圖4中可以看出腳蹬裝置主振型為縱向擺動(dòng)，同樣的振動(dòng)加速度加載在縱向上產(chǎn)生的應(yīng)力大于橫向或垂向，這是本試驗(yàn)在縱向加載時(shí)發(fā)生故障的首要原因。

圖5 腳蹬裝置變形和受力分析圖

圖5中包含上述計(jì)算的變形圖，圖中白色區(qū)域變形量趨近于0，而往下區(qū)域縱向擺動(dòng)變形量逐步加大，其中白色與藍(lán)色交界線方向與圖2、圖3中腳蹬連接桿斷口裂紋方向一致。

圖5中還包含一種近似的受力分析圖，將腳蹬油脂罐側(cè)下方載荷點(diǎn)F油集中于油脂罐處并加載平均加速度，該載荷點(diǎn)與腳蹬連接桿載荷點(diǎn)F桿連線至上述變形交界處支點(diǎn)形成懸臂梁，F(xiàn)油與F桿達(dá)到力矩平衡。由于F桿的力臂遠(yuǎn)小于F油，故F桿被集中放大，從而可能使腳蹬連接桿的螺栓部分強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂。

5 螺栓連接校核

根據(jù)圖5的受力分析，設(shè)定F油為15 kg，平均加速度15g，由力矩平衡可得：

F桿=F油×L2/L1=15×15×

9.81×24.3=53 636 N

以試驗(yàn)1計(jì)算螺紋連接預(yù)緊力：F′=T/K/d=70/0.2/0.012=29 167 N，其中擰緊力矩系數(shù)K根據(jù)鍍鋅螺栓打樂(lè)泰膠選0.2，d為螺栓直徑。

螺紋連接總拉力：F0=F′+KCF桿=29 167+0.25×53 636= 42 576 N，其中相對(duì)剛度系數(shù)KC一般取0.2～0.3。

拉應(yīng)力強(qiáng)度：σ=1.3F0/As=1.3×42 576/80.2=690 (MPa)

拉應(yīng)力安全系數(shù)：Sσ=σs/σ=823/690=1.19，該值對(duì)于控制預(yù)緊力的螺紋連接一般取1.2～1.5，拉應(yīng)力強(qiáng)度偏低。

6 橡膠墊的影響

圖6為模擬試驗(yàn)5僅對(duì)上級(jí)最內(nèi)側(cè)桿兩端加橡膠墊的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，計(jì)算時(shí)將橡膠部分賦予一般橡膠材料的彈性模量和泊松比[4]，計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力水平降低，但應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到了上級(jí)中間連接桿處，故試驗(yàn)時(shí)間增加但仍未通過(guò)試驗(yàn)。對(duì)比圖4可知更換了橡膠墊的腳蹬連接桿不再作為主要受力組件了，這是由于橡膠元件的阻尼特性和多向剛度特性[5]，通過(guò)柔性連接[6]，通過(guò)腳蹬側(cè)立板往連接桿傳遞的載荷被屏蔽或大幅度衰減、損耗。

圖6 上級(jí)最內(nèi)側(cè)桿換橡膠墊的應(yīng)力云圖

圖7 上級(jí)桿全部換橡膠墊的應(yīng)力云圖

圖7為模擬試驗(yàn)6中對(duì)上級(jí)所有腳蹬連接桿更換橡膠墊的應(yīng)力云圖，其最大應(yīng)力比試驗(yàn)5大但仍在側(cè)立板材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，處于側(cè)立板靠近安裝面的折彎圓弧區(qū)域，試驗(yàn)獲得通過(guò)。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本試驗(yàn)的開(kāi)展得到的啟示如下：

(1)懸臂件從安裝面至最遠(yuǎn)端振動(dòng)加速度和變形量逐漸加大，轉(zhuǎn)向架上使用懸臂件應(yīng)盡量減小懸臂長(zhǎng)度和減輕懸臂遠(yuǎn)端載荷以降低應(yīng)力，例如本試驗(yàn)中的腳蹬裝置應(yīng)盡量避免油脂罐的集成安裝；

(2)懸臂件中使用螺栓連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析不同于普通校核，應(yīng)避免螺栓連接區(qū)域應(yīng)力集中；

(3)懸臂件中強(qiáng)度薄弱的應(yīng)力集中點(diǎn)，可以利用橡膠墊等彈性元件的柔性連接加以保護(hù)，從而消除故障；

(4)通過(guò)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)可以排查出故障缺陷或薄弱點(diǎn)，再通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化解決故障，從而有效提高可靠性水平，這對(duì)轉(zhuǎn)向架部件特別是懸臂件的改進(jìn)很有意義。