龐聰,馬濤,宗振龍

(1.中車永濟(jì)電機(jī)有限公司,陜西 西安 710000;2. 軌道交通牽引電機(jī)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 永濟(jì) 044500)

某型號(hào)電力機(jī)車是我國通過消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)成功開發(fā)的新一代主力重載貨運(yùn)電力機(jī)車,在鐵路客運(yùn)方面發(fā)揮著重大作用。隨著電力機(jī)車運(yùn)行速度和運(yùn)輸能力的不斷提高,鐵路機(jī)車車輛的運(yùn)行環(huán)境不斷惡化,其中牽引電機(jī)作為動(dòng)力的主要來源,其能否穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到鐵路機(jī)車的可靠性。

在對(duì)機(jī)車常規(guī)檢修時(shí),檢修人員發(fā)現(xiàn)使用時(shí)間不滿8年的機(jī)車牽引電機(jī)在吊掛位置部分焊縫結(jié)構(gòu)發(fā)生了疲勞開裂(圖1)。在對(duì)鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時(shí),通常采用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)PSD譜進(jìn)行疲勞壽命分析,由于標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的振動(dòng)譜和車輛實(shí)際運(yùn)用的狀況存在較大差異,所以計(jì)算結(jié)果往往不令人滿意。為了分析電機(jī)的真實(shí)受力狀態(tài),盡快找出故障原因,可先確定焊縫結(jié)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注位置,然后開展線路運(yùn)行實(shí)測,得到機(jī)車不同工況(含轉(zhuǎn)彎、爬坡、隧道、橋梁、岔道等)的應(yīng)力譜,數(shù)據(jù)經(jīng)過后期去零漂、去毛刺、濾波、雨流計(jì)數(shù)等處理,再根據(jù)BS 7608:2014+Al:2015進(jìn)行焊縫疲勞壽命分析[1-3],最終對(duì)焊縫故障原因有了初步判斷,為進(jìn)一步的原因排查指明方向,進(jìn)而提出了改進(jìn)措施及建議。

(a) 吊掛位置開裂細(xì)節(jié)圖

1 電機(jī)有限元仿真

為了快速得到故障電機(jī)的受力狀態(tài),本文通過有限元仿真分析初步確認(rèn)焊縫結(jié)構(gòu)受力大小及應(yīng)力分布情況,查看整體受力情況及故障位置應(yīng)力大小。

1.1 基本理論

有限元方法是將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)看作由有限個(gè)單元僅在節(jié)點(diǎn)處連接的整體,首先需要分析每一個(gè)單元的特性,并依據(jù)單元之間的聯(lián)系,建立整體性方程,求出整個(gè)結(jié)構(gòu)的解,然后列出節(jié)點(diǎn)應(yīng)力矩陣方程,即:

(1)

(2)

本文對(duì)電機(jī)吊掛焊縫強(qiáng)度進(jìn)行校核,采用第四強(qiáng)度理論對(duì)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析,Von Mises等效應(yīng)力σcr4應(yīng)當(dāng)滿足式(3):

(3)

式中:σcr4為等效應(yīng)力;σ1、σ2、σ3分別為第1、第2、第3主應(yīng)力;[σ]為許用應(yīng)力強(qiáng)度。

1.2 牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)

電力機(jī)車牽引電機(jī)由過渡盤、通風(fēng)道板、壓圈、弧板吊耳、小吊掛、大吊掛、定子鐵心和非傳動(dòng)端端蓋等部分組成。構(gòu)成殼體的各部件通過焊接方式連接在一起,其殼體下吊掛件的各部分構(gòu)成及主要焊接位置見圖2。

(a) 電機(jī)上吊掛組件

1.3 電機(jī)有限元建模

利用Hypermesh進(jìn)行有限元建模,由于電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且材料的厚度分布并不均勻。所以采用Ansys軟件所支持的實(shí)體單元類型Solid 185對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行離散,各部分材料屬性見表1。

表1 電機(jī)主要材料屬性

此有限元模型共計(jì)1 380 168個(gè)節(jié)點(diǎn)、2 947 996個(gè)單元,模型總質(zhì)量為2.629 t,有限元模型見圖3。

圖3 電機(jī)三維有限元模型

在笛卡爾坐標(biāo)系下,對(duì)電機(jī)與轉(zhuǎn)向架連接位置施加約束,施加電機(jī)重量、單邊磁拉力、極限轉(zhuǎn)矩以及GB/T 21563—2018所規(guī)定的沖擊振動(dòng)加速度載荷,各工況加載情況見表2。

表2 各工況加載情況(1 g=9.8 m/s2)

1.4 電機(jī)仿真結(jié)果

通過Ansys軟件計(jì)算靜強(qiáng)度,可知在工況1作用下所有焊縫處的最大Von.Mises應(yīng)力發(fā)生在裂紋焊縫位置的端部焊趾處,其應(yīng)力值為138.85 MPa。根據(jù)第四強(qiáng)度理論得出其應(yīng)力小于焊縫材料的屈服極限。電機(jī)整體最大應(yīng)力為201 MPa(母材位置),小于母材材料的屈服極限,故整個(gè)電機(jī)滿足靜強(qiáng)度要求。電機(jī)焊縫處的應(yīng)力云圖(局部)見圖4。

圖4 電機(jī)焊縫應(yīng)力云圖(局部)

2 疲勞計(jì)算

靜強(qiáng)度計(jì)算表明,電機(jī)在各工況下運(yùn)行均滿足強(qiáng)度要求。為進(jìn)一步探究電機(jī)裂紋產(chǎn)生的原因,對(duì)電機(jī)各焊縫及機(jī)體進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算。目的在于:①掌握各個(gè)焊縫位置的損傷相對(duì)大小關(guān)系,以確定是否對(duì)焊縫位置進(jìn)行試驗(yàn)測試。②明確試驗(yàn)測試的應(yīng)力貼片位置。

2.1 計(jì)算方法

電機(jī)疲勞損傷計(jì)算采用準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力分析法。準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力分析法是一種在外載荷歷程作用下的應(yīng)力分析方法,這種方法的主要思想是分別進(jìn)行單位載荷作用下的應(yīng)力分析,通過載荷歷程和單位載荷產(chǎn)生的靜態(tài)應(yīng)力影響因子(SIC)相乘疊加原則計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力歷程,在假定平面應(yīng)力條件下,節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算的公式為[4]:

(4)

式中:n為應(yīng)用載荷歷程的數(shù)量;σxi(t)、σyi(t)、τxyi(t)為應(yīng)力影響系數(shù),i∈[1,n]。

由于計(jì)算僅僅尋求各個(gè)焊縫部位的相對(duì)大小關(guān)系以方便判斷,故只提取具有代表性的載荷值計(jì)算損傷值并進(jìn)行對(duì)比。

2.2 計(jì)算流程

在電機(jī)模型上分別施加垂向、縱向、橫向的單位載荷,提取電機(jī)各部位焊縫的最大主應(yīng)力,選取裂紋所在焊縫位置和其他焊縫應(yīng)力較大位置共7個(gè)部位作為評(píng)估點(diǎn)。各部位焊縫應(yīng)力云圖見圖5。

(a) 垂向單位載荷下焊縫應(yīng)力云圖

以實(shí)測電機(jī)加速度有效值作為代表載荷值并與應(yīng)力影響系數(shù)相乘,計(jì)算出各評(píng)估點(diǎn)的應(yīng)力幅見表3。

表3 評(píng)估點(diǎn)應(yīng)力幅 MPa

2.3 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及焊接接頭選擇

計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)選用英國BS 7608:2014+Al:2015[4]。該標(biāo)準(zhǔn)中提供了數(shù)量豐富的焊接接頭數(shù)據(jù),詳細(xì)規(guī)定了焊接結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估方法,是焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評(píng)估常用標(biāo)準(zhǔn)之一。其中該標(biāo)準(zhǔn)的S-N曲線用標(biāo)準(zhǔn)[4]中典型的Sr-N曲線表示,在常幅載荷作用下,每一等級(jí)接頭所施加的應(yīng)力變化范圍Sr與達(dá)到疲勞的循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系為:

(5)

式中:Cd為S-N曲線常數(shù)。

對(duì)應(yīng)各評(píng)估點(diǎn)焊接接頭從BS 7608:2014+Al:2015中選取接頭類型。各評(píng)估點(diǎn)的焊接接頭級(jí)別皆為F級(jí),通過標(biāo)準(zhǔn)中基本S-N曲線可以得到該等級(jí)的各項(xiàng)參數(shù)。

2.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)焊接接頭和應(yīng)力變化范圍選取對(duì)應(yīng)F級(jí)下的C2、m值,代入式(5)可得到各評(píng)估點(diǎn)損傷值,見表4。

表4 評(píng)估點(diǎn)疲勞損傷值

由表4可知,電機(jī)的裂紋位置的損傷值大于其他焊縫位置的損傷值, 且大吊掛(上)的損傷值要大于大吊掛(下)的損傷值,這與實(shí)際情況相符。綜上所述,有必要對(duì)焊縫裂紋位置進(jìn)行貼片測試,以確定焊縫位置的疲勞壽命,進(jìn)一步探索裂紋產(chǎn)生的具體原因,而大吊掛的應(yīng)變片粘貼位置應(yīng)當(dāng)在上述計(jì)算所選的評(píng)估點(diǎn)位置處。

3 線路測試

靜強(qiáng)度的仿真分析表明最大等效應(yīng)力小于材料的屈服極限,不會(huì)引起在該工況下的屈服破壞。下文進(jìn)一步對(duì)焊縫位置在線路運(yùn)行時(shí)的實(shí)際應(yīng)力狀況進(jìn)行測試,得到其動(dòng)應(yīng)力譜,進(jìn)行疲勞壽命分析。

3.1 測試工況說明

(1)測點(diǎn)及設(shè)備

本次測試應(yīng)變采集設(shè)備采用東華應(yīng)變采集儀,應(yīng)變片采用6 mm三向應(yīng)變花貼片,采樣頻率為1 000 Hz。選取機(jī)車一端轉(zhuǎn)向架的1號(hào)軸位和2號(hào)軸位兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行測點(diǎn)布置,在大吊掛焊縫處粘貼應(yīng)變片,實(shí)時(shí)獲取電機(jī)各測點(diǎn)應(yīng)變值。應(yīng)變片帖片位置見圖6。

圖6 貼片位置圖示

(2)測試線路

測試線路應(yīng)涵蓋故障電機(jī)所屬電力機(jī)車運(yùn)行的主要線路,測試線路狀況見表5。

表5 測試線路概況

3.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)焊縫結(jié)構(gòu)關(guān)注位置的不同工況(轉(zhuǎn)彎、爬坡、隧道、橋梁、岔道等)的應(yīng)變數(shù)據(jù),進(jìn)行去零漂、濾波、轉(zhuǎn)應(yīng)力、雨流計(jì)數(shù)處理,得到最大最小值、應(yīng)力幅、有效值及應(yīng)力雨流計(jì)數(shù)譜,路線測試結(jié)果見表6。

表6 線路測試結(jié)果 MPa

測試數(shù)據(jù)時(shí)域曲線見圖7、圖8。由于2軸電機(jī)焊縫應(yīng)力幅較大,所以后面的疲勞分析主要以2軸實(shí)測數(shù)據(jù)為主進(jìn)行計(jì)算。

圖7 2軸電機(jī)上吊掛下焊縫

圖8 2軸電機(jī)下吊掛上焊縫

3.3 疲勞分析

(1)疲勞計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

與理論損傷試算采用標(biāo)準(zhǔn)相同,基于實(shí)測線路譜的疲勞計(jì)算也采用BS 7608:2014+Al:2015,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的基本Sr-N曲線,d值(代表低于均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)量)為2,σ為和存活率有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,計(jì)算所用相關(guān)參數(shù)值在BS 7608:2014+Al:2015中已經(jīng)給出。在BS 7608:2014+Al:2015中,考慮低應(yīng)力循環(huán)時(shí),損傷比計(jì)算公式為:

(6)

(2)評(píng)估流程

本文基于BS 7608:2014+Al:2015對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估,首先根據(jù)評(píng)估點(diǎn)應(yīng)力類型、焊接接頭類型及承載方向,在標(biāo)準(zhǔn)中選擇對(duì)應(yīng)的疲勞級(jí)別以及相關(guān)參數(shù),建立Sr-N曲線;然后根據(jù)Palmgren-Miner法則計(jì)算損傷累積;最后根據(jù)載荷譜或動(dòng)應(yīng)力譜所對(duì)應(yīng)的里程數(shù)求出壽命[6]。

通過BS 7608:2014+Al:2015中S-N基本參數(shù)可以得到該等級(jí)的各項(xiàng)參數(shù)。按照Sr-N的97.5%存活率的設(shè)計(jì)曲線來查表得到Sov=23,參數(shù)m為3,代入式(6),最后依據(jù)式(7)Miner法則計(jì)算累計(jì)損傷:

(7)

結(jié)合式(7)與雨流計(jì)數(shù)應(yīng)力載荷譜得到整條線路的疲勞損傷,再通過應(yīng)力載荷譜時(shí)長就可以得到焊縫結(jié)構(gòu)能夠運(yùn)行的總時(shí)長,得到其疲勞壽命[7-8]。

(3)計(jì)算結(jié)果

對(duì)整條線路555 km的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對(duì)2軸電機(jī)的2條焊縫應(yīng)力譜進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算, 標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)通過試驗(yàn)證明平均應(yīng)力對(duì)焊縫的影響可以忽略[9],每個(gè)應(yīng)力幅的各個(gè)平均值次數(shù)累加起來為各應(yīng)力幅值的總發(fā)生次數(shù),計(jì)算運(yùn)行時(shí)長8 h電機(jī)焊縫的疲勞損傷與疲勞壽命。2軸電機(jī)上吊掛下焊縫(測點(diǎn)4)的計(jì)算結(jié)果見表6,2軸電機(jī)下吊掛上焊縫(測點(diǎn)3)的計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 測點(diǎn)3、測點(diǎn)4疲勞損傷和疲勞壽命

按照機(jī)車一天工作16 h,一年360 d計(jì)算,2軸電機(jī)上吊掛下焊縫(測點(diǎn)4)的疲勞壽命為196年,滿足理論上的設(shè)計(jì)壽命,因此需要進(jìn)一步考查所評(píng)價(jià)焊縫的加工工藝過程。通過對(duì)故障電機(jī)開裂的焊縫位置檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)此處焊縫焊接后沒有進(jìn)行焊后打磨,說明該焊縫的焊接工藝需要進(jìn)行優(yōu)化。2軸電機(jī)下吊掛上焊縫(測點(diǎn)3)的理論計(jì)算疲勞壽命僅為10年,未能滿足25年的設(shè)計(jì)壽命要求,與該電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況相符,說明該焊接部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

(1)本文經(jīng)過靜強(qiáng)度計(jì)算,電機(jī)焊縫的應(yīng)力小于材料的屈服極限,滿足靜強(qiáng)度要求。與實(shí)測最大值對(duì)比,仿真值與實(shí)測值偏差較小,說明有限元模型可靠性較好。

(2)本文通過理論試算比較各焊縫的疲勞損傷情況,明確了試驗(yàn)時(shí)應(yīng)變片粘貼位置(經(jīng)過理論計(jì)算的2軸電機(jī)焊縫處損傷值較大的位置)。

(3)對(duì)實(shí)測應(yīng)力譜進(jìn)行分析,結(jié)果表明2軸電機(jī)下吊掛上焊縫存在疲勞壽命薄弱問題,為提高該處的疲勞可行性,需要進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

(4)工藝生產(chǎn)過程引起的應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力都可以通過相關(guān)工藝進(jìn)行處理。應(yīng)力集中可以通過改變焊接方式和焊后打磨進(jìn)行降低,焊接殘余應(yīng)力可以通過真空退火、振動(dòng)時(shí)效、噴丸、噴砂等來改變應(yīng)力狀態(tài),從而提高產(chǎn)品的疲勞壽命。