譚宇文, 陳 奎, 袁 力, 汪 洋

(重慶中車四方所智能裝備技術有限公司,重慶 401133,E-mail:tanyuwenocean@163.com)

跨座式單軌車受電弓[1-5]安裝于車輛轉(zhuǎn)向架上,并從接觸網(wǎng)上獲取電能供車輛各系統(tǒng)使用,是固定設備和移動能量消耗設備之間的紐帶。受電弓的結(jié)構安全性影響著車輛運行的安全[6],本文基于單軌車受電弓在線路上的運行情況,對受電弓的弓頭托板進行分析,解決弓頭托板開裂問題。

1 結(jié)構設計

單軌車受電弓的機械結(jié)構由受電弓安裝底板、升弓彈簧組件、推桿組件、下支撐桿組件、上支撐桿組件、平衡臂組件、弓頭組件以及絕緣子等組成,如圖1所示。

圖1 受電弓示意圖

對于弓頭組件中的弓頭托板,原方案如圖2所示,由弓頭托板、弓頭擋板、導流柱組成。弓頭托板通過支撐橡膠彈簧與弓頭支撐連接,具有6個方向的自由度,具備良好的跟隨性。

圖2 原方案弓頭托板

2 故障分析[7]

2.1 故障描述

單軌車受電弓在運行過程中,出現(xiàn)了弓頭托板開裂問題,如圖3所示。

圖3 弓頭托板開裂

裂紋在托板一角形成貫通式開裂,路徑沿導流柱焊縫焊腳邊緣,經(jīng)潤滑條安裝板外沿,且還途經(jīng)橡膠彈簧錐形螺釘安裝孔,最后貫穿到托板中間的長圓孔圓弧角處。并經(jīng)一段時間的運行,導致長圓孔四個圓弧角均有不同程度的開裂現(xiàn)象。

2.2 原因分析[8-9]

斷裂弓頭托板采用6 mm厚鋁合金板材切割而成,鋁合金為6系 6061 T6。托板兩端焊接兩個導流柱,材質(zhì)為1系列鋁合金,焊接方式為141,焊材5087,焊腳a3。

(1) 低倍宏觀分析

通過線切割將斷口切下,用3%(NaOH)溶液清洗斷口,宏觀上觀察,斷口表面大部分平整,能觀察到明顯的貝殼狀花樣,其花樣半徑較大,斷裂多為疲勞斷裂;瞬斷區(qū)表面能觀測到明顯的撕裂脊,約占斷口1/3左右。宏觀形貌如圖4所示。

圖4 托板斷口宏觀形貌

(2) 斷口及表面微觀面貌

對弓頭托板斷口形貌進行分析,其斷口表面多為韌窩,多處可見明顯疲勞臺階,其斷裂形式主要為疲勞斷裂[10-12];其裂紋源位于導流柱焊接區(qū)與焊縫焊腳邊緣的熱影響區(qū),從焊接區(qū)表面向內(nèi)可以觀察到明顯的放射狀斷口,呈一定角度向內(nèi)擴展[13];瞬斷區(qū)表面凹凸不平,微觀下觀察其表面亦為淺韌窩。其斷口形貌如圖5、圖6所示。

圖5 托板焊接區(qū)斷口形貌

圖6 托板瞬斷區(qū)斷口形貌

(3) 金相分析[14]

使用3%氫氟酸腐蝕,其托板顯微組織為:α固溶體+

Mg2Si,焊接材料顯微組織為:鑄態(tài)組織,顯微組織正常。顯微組織形貌如圖7、圖8所示。

圖7 托板顯微組織形貌

圖8 焊材顯微組織形貌

(4) 硬度檢測

對弓頭托板、焊材、以及熱影響區(qū)進行硬度測試,其結(jié)果如表1所示,托板,焊材硬度正常,焊接熱影響區(qū)硬度偏高。

表1 材料硬度測試

通過以上分析:弓頭托板在使用時發(fā)生疲勞斷裂,主要是焊接工藝不恰當所致。

3 結(jié)構優(yōu)化與驗證

為了消除焊縫對托板帶來的不利影響,去掉弓頭托板導流柱,優(yōu)化結(jié)構如圖9所示,并將導流線的安裝位置移動到弓頭托板的中心位置。

圖9 弓頭托板優(yōu)化

為了驗證優(yōu)化結(jié)構的可靠性,對優(yōu)化后的受電弓進行了沖擊耐久試驗[15],試驗升降弓次數(shù)達3萬次,無開裂現(xiàn)象,試驗如圖10所示。在沖擊試驗后,進行了裝車運行,截止目前運行狀態(tài)良好,無開裂現(xiàn)象。

圖10 受電弓沖擊耐久試驗

4 結(jié)論

產(chǎn)品結(jié)構的合理性影響其使用的安全性。在跨座式單軌車中,受電弓在正常工作時會持續(xù)受到來自于弓網(wǎng)配合過程中產(chǎn)生的沖擊振動,在設計過程中應充分考慮這種持續(xù)性沖擊振動工況,采用合理的結(jié)構設計避免加工工藝帶來的質(zhì)量不可控影響。通過優(yōu)化現(xiàn)有弓頭托板的結(jié)構,沖擊試驗后,進行了裝車運行,截止目前運行狀態(tài)良好,無開裂現(xiàn)象發(fā)生,提高了運營安全性。