全俊奎，賈洪洋

（廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部，廣州 510310）

0 引言

廣州地鐵L型車（直線電機車型）轉向架主要分為兩種，一種是由龐巴迪公司研究開發(fā)、設計制造的BM3000-LIM型直線電機轉向架，如圖1所示；另外一種是由中車青島四方機車車輛股份有限公司研究開發(fā)的新型城市軌道車輛轉向架（SDB-LIM型轉向架）。這兩種轉向架上的電機懸掛組件及高度調整裝置分別采用調節(jié)套筒和彈簧套筒的組合式和通過加調整墊片來調節(jié)電機高度，如圖2和圖3所示。在直線電機車輛中，為保證最佳的牽引力，直線電機的高度有嚴格的限制［1］。為了防止直線電機運行過程中撞擊感應板，電機高度嚴格控制在26.3～26.8 mm。目前在廣州地鐵L型車中，BM3000柔性轉向架存在直線電機懸掛裝置發(fā)生多次沉降的現(xiàn)象，對于列車運營的安全帶來了較大的影響。電機下沉不僅會刮傷損壞直線電機的表面，也會刮傷電機感應板［2］。該問題近幾年已經(jīng)出現(xiàn)多次，亟需找出故障發(fā)生的原因。本文主要針對懸掛梁各組件失效原因進行分析，得出導致直線電機懸掛梁組件整體失效的過程及根本原因，從而對懸掛梁組件結構提出改進建議，并能為后續(xù)實際檢修維護提供指導建議，降低因懸掛梁組件失效而導致電機下沉的風險。

圖2 BM3000型轉向架電機調整裝置

圖1 BM3000柔性轉向架

圖3 SDB-LIM型轉向架的電機調整裝置

1 問題描述

廣州地鐵L型車相比于傳統(tǒng)車型，對直線電機的承載部件和高度調節(jié)裝置都有較高的要求。近年來，在廣州地鐵L型車中，多次出現(xiàn)直線電機下沉的現(xiàn)象。表1所示為2017年以來懸掛梁組件失效導致直線電機下沉的幾起故障及其表現(xiàn)，且發(fā)生懸掛梁組件失效的均為BM3000柔性轉向架電機懸掛組件。

表1 懸掛梁組件失效歷史故障表現(xiàn)

圖4所示為懸掛梁組件中高度調整裝置彈簧套筒相對調節(jié)套筒異常下沉，引起該點電機位置下沉，其表現(xiàn)為彈簧套筒下滑至調節(jié)套筒座。而當電機高度正常時的電機高度調整裝置彈簧套筒相對于調節(jié)套筒的位置如圖5所示。

圖4 彈簧套筒相對調節(jié)套筒下沉

圖5 彈簧套筒相對調節(jié)套筒正常

2 問題分析

為分析BM3000柔性轉向架懸掛梁組件出現(xiàn)失效的原因，對其各組件出現(xiàn)的失效表現(xiàn)、材質檢測分析、承載結構強度等方面進行探討。根據(jù)前面對歷史故障的統(tǒng)計，其組件中主要失效的零部件為M10雙頭螺柱發(fā)生斷裂，調節(jié)套筒和彈簧套筒螺紋結構出現(xiàn)失效滑牙。

圖6所示為BM3000柔性轉向架懸掛梁組件安裝爆炸圖。

圖6 懸掛梁組件高度調整裝置

2.1 M10雙頭螺柱斷裂分析

圖7 所示為M10正常螺栓和斷裂螺栓的外觀，可以發(fā)現(xiàn)斷裂螺栓表面銹蝕嚴重。通過宏觀觀察螺栓斷裂口處，發(fā)現(xiàn)螺柱斷面有較多的銹蝕，斷口呈現(xiàn)放射狀，初步判斷裂紋起源于螺柱外表面并向內擴展。

圖7 M10雙頭螺柱外觀圖及斷口宏觀形貌

為判斷M10雙頭螺柱斷裂原因是否由加工制造工藝參數(shù)不合格的問題導致，通過測量失效螺柱的成分參數(shù)及觀察表面形貌，發(fā)現(xiàn)其與新的雙頭螺柱的參數(shù)及形貌一致。另外通過對螺栓材料進行檢測發(fā)現(xiàn)螺栓中C含量偏低而Gr的含量偏高（其中C含量檢測為0.330%，標準要求為0.42%～0.50%；Gr含量檢測為0.961%，標準要求為小于0.25%）。由于該M10螺柱的C含量偏低，降低了原本設計所需的力學性能。Gr元素的成分超標顯著，增加了材料的硬脆性以及在材料中形成雜質的可能性，這與圖8所示SEM微觀觀察中所發(fā)現(xiàn)的雜質現(xiàn)象較符合。因此，元素含量超標是M10雙頭螺柱斷裂的原因之一。

通過從宏觀層面對M10雙頭螺柱的失效斷裂原因的分析發(fā)現(xiàn)，無法從根本上準確判斷M10雙頭螺柱斷裂的原因。因此，通過對斷口的微觀形貌觀察判斷斷裂的形式是分析失效部件受力的一種常見方式。

如圖9所示，通過SEM分析觀察，在M10螺柱斷口處存在較多的韌窩現(xiàn)象。通過進一步觀察裂紋斷口和擴展尾端，在裂紋擴展尾端發(fā)現(xiàn)較大的韌窩，并伴隨有穿晶和沿晶斷裂。根據(jù)Derek Hull等［3］的研究，當在裂紋擴展尾端出現(xiàn)韌窩及穿晶和沿晶斷裂時，材料的斷裂往往是在較大的沖擊載荷下發(fā)生斷裂。因此可以判斷出M10雙頭螺栓的失效原因為列車運行時，鎖緊墊片或者止動擋板對M10雙頭螺柱的不斷剪切沖擊振動，最終導致M10雙頭螺柱發(fā)生斷裂。

圖8 SEM微觀觀察發(fā)現(xiàn)端口中含雜質

圖9 斷口處裂紋形貌

2.2 調節(jié)套筒和彈簧套筒螺紋失效分析

已知調節(jié)套筒和彈簧套筒的材料均為35CrMo。通過對調節(jié)套筒和彈簧套筒的材料組分進行檢測發(fā)現(xiàn)：調節(jié)套筒的成分合格，而彈簧套筒的成分中Mo元素的成分百分數(shù)為0.141%，略低于標準要求（0.15%～0.25%）。通過查閱相關資料［4］，可知Gr－Mo材料中，Mo元素的主要作用是提高材料強度和耐熱性。因此，彈簧套筒中Mo元素成分不足可能導致彈簧套筒因強度不足而出現(xiàn)螺紋失效。

同時從圖10～11的螺紋形貌比較可以看出，調節(jié)套筒和彈簧套筒的螺紋牙出現(xiàn)傾斜，初步判斷為螺紋的抗彎強度不足導致。

圖10 調節(jié)套筒牙型比較

圖11 彈簧套筒牙型比較

另外，如圖12所示，可觀察到在螺紋連接的根部出現(xiàn)明顯的螺紋損壞現(xiàn)象。綜合分析可知，失效彈簧套筒和調節(jié)套筒的螺紋處承受較大的軸向載荷，在軸向載荷的不斷沖擊下螺紋牙磨損導致調節(jié)套筒與彈簧套筒松動。

圖12 失效調節(jié)套筒、彈簧套筒螺紋損壞處

3 結構強度分析

調節(jié)套筒和彈簧套筒是通過螺紋連接的方式安裝的，其全部的承載力都是靠螺紋的配合面支撐。在列車運行時，承受高頻的軸向載荷，因此，在螺紋牙斜面也會承受載荷力［5－6］。從調節(jié)套筒和彈簧套筒組件失效的情況可知，兩者的主要失效方式是螺紋磨損滑牙。因此，該結構的強度分析主要是分析螺紋配合面的強度。

已知調節(jié)套筒和彈簧套筒的材料為35 GrMo，其材料屬性參數(shù)如表2所示。

表2 35GrMo材料屬性

從懸掛梁組件的安裝及結構設計可知，懸掛梁組件承受著直線電機、垂向吊桿（5根）以及懸掛梁（2根）的質量。根據(jù)維修手冊數(shù)據(jù)，各部件的質量如表3所示。

表3 懸掛梁承載各部件質量

圖13所示為普通螺紋的基本形狀，其中p為螺距，H為螺紋原始三角形高度，H＝0.866p。

圖13 螺紋的基本形狀

螺紋連接的強度校核主要包含螺紋的抗剪切強度計算、螺紋的抗彎強度計算以及螺紋面的抗擠壓強度計算。其在靜態(tài)載荷下的具體計算公式［7］如下。

（1）螺紋的抗剪切強度校驗：式中：F為承載力；Kz為螺紋各牙載荷不均勻系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗值約為0.96；d1為螺紋小徑；b為螺紋根部寬度，b＝0.75p；h為螺紋牙的工作高度，取值為h＝0.625H；z為承載螺紋旋合圈數(shù)。

已知調節(jié)套筒和彈簧套筒螺紋連接的旋合長度為28 mm，螺距p＝2 mm，可得其承載螺紋旋合圈數(shù)z＝14。

根據(jù)調節(jié)套筒和彈簧套筒的材料屬性參數(shù)可知，調節(jié)套筒和彈簧套筒為塑性材料，其屈服強度σs＝835 MPa。由于35GrMo材料的伸長率δ＞12%，其為塑性材料，其安全系數(shù)取值范圍為1.5～2.0，這里取最大安全系數(shù)值n＝2.0，則相應的許用應力為：

另外，車輛運行時，承受著來自輪對及軌道的沖擊載荷力，承受的載荷并非靜載荷。因此，在螺紋強度計算過程中，考慮動載荷因數(shù)是必要的。根據(jù)朱萍和唐衛(wèi)清［8］的研究，螺紋連接的動載荷系數(shù)可以取值為Kd＝2.0。

另外，螺紋根部存在應力集中現(xiàn)象，在計算過程中，需要充分考慮載荷作用下的應力集中系數(shù)。根據(jù)杜興運等［9］關于螺栓桿應力集中系數(shù)的研究可知，螺紋應力集中系數(shù)可取值為Kα＝5.0。

根據(jù)調節(jié)套筒和彈簧套筒組件承載重量，可以計算出單套螺紋組件的靜態(tài)承載力為：

另外，調節(jié)套筒和彈簧套筒組件承受M42螺母350 N·m的扭緊力矩，則根據(jù)扭矩的計算公式：T=K×F0×d，可得：

式中：K為擰緊力矩系數(shù)（無量綱），由于M42鎖緊螺母接觸表面為鍍鋅層，其系數(shù)范圍為0.18～0.22，此處取值0.2；F0為預緊力大小；d為螺紋的公稱直徑。

因此，懸掛梁組件總的承載力為：

根據(jù)螺紋連接動載荷與靜載荷之間的關系以及考慮螺紋根部應力集中的影響，則螺紋最大的抗剪切強度為：

因此，從上面的強度計算分析可知，調節(jié)套筒和彈簧套筒螺紋組件的抗剪切強度和抗擠壓強度符合強度設計要求，但是螺紋的抗彎強度設計非常接近設計的許用強度設計要求。另外由于彈簧套筒的材料成分中Mo含量偏低，增大了其強度不足失效的風險。在長期的振動載荷下，螺紋面易出現(xiàn)因抗彎強度不足而出現(xiàn)螺紋傾斜現(xiàn)象，這與試驗中觀察得到的螺紋失效面情況一致。因此，可以確認為該螺紋組件的失效行為是由螺紋設計中的抗彎強度不足導致的。在長期的振動載荷作用下，出現(xiàn)螺紋傾斜而導致滑牙，進一步加劇懸掛梁組件的振動。

4 結束語

本文主要分析了L型車BM3000柔性轉向架懸掛梁組件失效的原因，得出懸掛梁組件失效的主要原因是調節(jié)套筒和彈簧套螺紋面由于抗彎強度不足，在列車運行時的振動沖擊力作用下導致失效滑牙。當彈簧套筒與彈簧套筒螺紋配合面失效后兩者發(fā)生相對轉動時，將導致組件中M42鎖緊螺母和止動擋板松動。在止動擋板的不斷剪切沖擊下，螺栓M10在應力集中處發(fā)生剪切斷裂。為了解決調節(jié)套筒和彈簧套筒螺紋配合面強度不足導致失效的問題，可根據(jù)結構安排適當增大螺紋螺距或者增大調節(jié)套筒和彈簧套筒的直徑，增加螺紋結構的強度來提高調節(jié)套筒和彈簧套筒的配合強度，從而降低直線電機懸掛梁組件失效風險。