地鐵車輛風(fēng)缸擋鐵斷裂故障分析

胡方陽(yáng)

(南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，210012，南京//工程師)

南京地鐵10號(hào)線是南京首條過江地鐵線路，于2014年7月開通運(yùn)營(yíng)。10號(hào)線列車為A型車6節(jié)編組(A-B-C=C-B-A編組)，車輛由中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司(以下簡(jiǎn)稱“浦鎮(zhèn)車輛廠”)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，列車牽引系統(tǒng)采用法國(guó)ALSTOM方案，制動(dòng)系統(tǒng)采用德國(guó)克諾爾EP 2002方案。

2016年以來，在例行檢修時(shí)，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多起10號(hào)線車輛制動(dòng)風(fēng)缸擋鐵斷裂故障(見圖1)，該故障使正線運(yùn)營(yíng)存在較大的安全隱患。

1 故障分析

1.1 受力分析

斷裂擋鐵的材質(zhì)為SUS304不銹鋼，主要承受緊固螺栓的壓力。其受力模型可以簡(jiǎn)化為一個(gè)超靜定梁中心受螺栓集中壓力作用且擋鐵長(zhǎng)期受彎矩作用下發(fā)生的屈服斷裂。緊固螺栓規(guī)格為A2-70(M10)，查閱ISO 261—1998、ISO 4014—1999、ISO 4017—1999、DIN EN 20273 —1992等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算可知螺栓的扭矩為34 Nm,擰緊力為20.8 kN。

a) 故障實(shí)物圖1

b) 故障實(shí)物圖2圖1 南京地鐵10號(hào)線車輛風(fēng)缸擋鐵斷裂故障

1.2 仿真與強(qiáng)度校核

根據(jù)現(xiàn)有擋鐵的相關(guān)尺寸，利用有限元分析軟件Nastran建立有限元模型，并使用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。擋鐵的約束位置為擋鐵外圓弧表面(全約束)，用來模擬風(fēng)缸鐵箍對(duì)擋鐵的固定作用；載荷加載方向?yàn)檠芈菟ňo固方向，范圍為螺母對(duì)墊片的接觸部位(總作用力20.8 kN)，如圖2所示。

圖2 車輛風(fēng)缸擋鐵模型約束與載荷施加

彈塑性材料適用第四強(qiáng)度理論，即形狀改變能理論，使用Von_mises應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。計(jì)算結(jié)果顯示，擋鐵最大的Von_mises應(yīng)力為315.1 MPa，發(fā)生在擋鐵中心空?qǐng)A弧處，并與實(shí)際斷裂位置吻合，如圖3所示。斷裂擋鐵的材質(zhì)為SUS304不銹鋼，其屈服強(qiáng)度為205 MPa，抗拉強(qiáng)度為520 MPa。從理論計(jì)算來看，擋鐵開裂位置所受應(yīng)力已經(jīng)超過材料屈服強(qiáng)度，未達(dá)到抗拉強(qiáng)度。由計(jì)算可知，擋鐵材料的選型并不能滿足實(shí)際的使用要求。

圖3 斷裂擋鐵的受力云圖

2 解決方案

計(jì)算結(jié)果表明，舊擋鐵存在強(qiáng)度不足的問題，因此，在進(jìn)行新?lián)蹊F設(shè)計(jì)時(shí)必須提高擋鐵的強(qiáng)度。提高擋鐵強(qiáng)度主要有兩種方法：一是縮小擋鐵的長(zhǎng)度，根據(jù)擋鐵的約束和受力方式，縮小擋鐵長(zhǎng)度可以使其中部所受彎矩減小，從而減小應(yīng)力；二是更換擋鐵材料，選用屈服強(qiáng)度更高的不銹鋼，以提高其力學(xué)性能。

缸箍長(zhǎng)度尺寸已經(jīng)確定，縮小擋鐵長(zhǎng)度并不可行，因此只有選用屈服強(qiáng)度更高的材料替換現(xiàn)有材料。南京地鐵10號(hào)線原型車是ALSTOM Metroplis系列A型車，浦鎮(zhèn)車輛廠于2002年從法國(guó)ALSTOM引進(jìn)。查閱ALSTOM設(shè)計(jì)文件，擋鐵原型設(shè)計(jì)采用的是材料X20Cr13(國(guó)內(nèi)牌號(hào)為2Cr13)，該材料硬度大，屈服強(qiáng)度為450 MPa，抗拉強(qiáng)度為650 MPa。10號(hào)線車輛為浦鎮(zhèn)車輛廠在原型車基礎(chǔ)上自主設(shè)計(jì)的車輛，車輛風(fēng)缸擋鐵材料使用的是304不銹鋼。

經(jīng)過浦鎮(zhèn)車輛廠與南京地鐵充分討論，決定將擋鐵材料更換為2Cr13，并將擋鐵中部直徑由原來的16 mm擴(kuò)大到20 mm。由于缸箍開孔尺寸不變，為了滿足安裝空間，將擋鐵兩端與卡箍固定的位置仍切削至16 mm。另外，墊片由圓形改為方形，厚度由原來2 mm提高到5 mm，如圖4和圖5所示。

圖4 既有車輛風(fēng)缸擋鐵結(jié)構(gòu)(含墊片)

圖5 新車輛風(fēng)缸擋鐵結(jié)構(gòu)(含墊片)

3 新?lián)蹊F強(qiáng)度分析

利用有限元分析軟件Nastran對(duì)新車輛風(fēng)缸擋鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。新?lián)蹊F的約束和加載與既有擋鐵保持一致。利用四面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型的邊界條件如圖6所示。

圖6 新車輛風(fēng)缸擋鐵邊界條件

新車輛風(fēng)缸擋鐵應(yīng)力云圖如圖7所示。計(jì)算結(jié)果顯示，最大的Von_mises應(yīng)力仍發(fā)生在擋鐵中部開孔部位，數(shù)值為196.7 MPa，切削倒角位置最大應(yīng)力為175.4 MPa。2Cr13不銹鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到450 MPa，兩個(gè)位置的安全系數(shù)分別達(dá)到2.29和2.57，靜強(qiáng)度完全滿足要求。

圖7 新車輛風(fēng)缸擋鐵應(yīng)力云圖

以上計(jì)算說明，新設(shè)計(jì)擋鐵結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度是滿足運(yùn)營(yíng)要求的，但它的疲勞強(qiáng)度是否滿足材料的疲勞極限，還需進(jìn)一步分析。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373—2010，此處擋鐵及風(fēng)缸屬于Ⅰ類-B級(jí)，垂向的加速度均方根值為1 m/s2,風(fēng)缸的有效沖擊僅為1.1g,沖擊力很小且沖擊力對(duì)擋鐵的作用與螺栓緊固力方向相反，因此沖擊力造成的應(yīng)力幅并不足以造成擋鐵的疲勞破壞。故此處可以忽略動(dòng)載荷對(duì)擋鐵壽命產(chǎn)生的影響。

4 跟蹤研究

經(jīng)過討論，決定將現(xiàn)車的新風(fēng)缸擋鐵全部更換為新結(jié)構(gòu)擋鐵，如圖8所示。

新?lián)蹊F裝車后，為了更好地掌握實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程的使用情況，驗(yàn)證新?lián)蹊F強(qiáng)度，選取1列車進(jìn)行跟蹤研究。除了例行的日檢項(xiàng)目，每4個(gè)月對(duì)擋鐵進(jìn)行1次探傷處理，1年后每隔6個(gè)月進(jìn)行1次探傷處理。新?lián)蹊F裝車至今已超過18個(gè)月，持續(xù)跟蹤未發(fā)現(xiàn)裂紋，這證明新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠滿足運(yùn)營(yíng)要求。

a) 實(shí)物圖1b) 實(shí)物圖2

圖8 新結(jié)構(gòu)擋鐵實(shí)物圖

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)缸擋鐵屬于典型易于忽視的小部件，此次斷裂故障引起了主機(jī)廠和業(yè)主的重視。主機(jī)廠在整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車體等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)傾注大量的精力，對(duì)擋鐵這類小部件往往易于忽視。另外，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠在原型車消化吸收過程中，對(duì)設(shè)計(jì)的改進(jìn)應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待，要有充分的仿真計(jì)算；要對(duì)所設(shè)計(jì)或改進(jìn)部件的重要性和關(guān)鍵點(diǎn)有充分的理解，經(jīng)驗(yàn)主義設(shè)計(jì)不可?。槐匾獣r(shí)還要做相關(guān)臺(tái)架試驗(yàn)，以驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能否滿足運(yùn)用要求。