基于不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的受電弓上臂焊縫疲勞強(qiáng)度研究

辜晨亮， 王俊勇， 賈 榮

(1 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610031；2 北京中車(chē)賽德鐵道電氣科技有限公司， 北京 100176)

受電弓是位于高鐵動(dòng)車(chē)頂部的導(dǎo)流裝置，將接觸網(wǎng)25 kV電能導(dǎo)入車(chē)輛的高壓系統(tǒng)，為高鐵動(dòng)車(chē)牽引設(shè)備和輔助設(shè)備提供動(dòng)力的重要高壓設(shè)備。受電弓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性是保證高鐵動(dòng)車(chē)穩(wěn)定受流及安全運(yùn)行的重要因素。高鐵動(dòng)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，受電弓承受弓網(wǎng)接觸力、空氣阻力和慣性力等復(fù)雜交變載荷的共同作用，使得受電弓主要部件在運(yùn)用周期內(nèi)易產(chǎn)生疲勞裂紋。

以北京中車(chē)賽德鐵道電氣科技有限公司研制的CED300型受電弓為對(duì)象，根據(jù)鐵道車(chē)輛相關(guān)的疲勞強(qiáng)度分析方法，對(duì)該型受電弓上臂焊縫疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)，為受電弓結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 CED300受電弓

CED300是雙滑板單臂式結(jié)構(gòu)受電弓，如圖1所示，結(jié)構(gòu)包括：弓頭、上臂、下臂、底架、升弓裝置、上導(dǎo)桿和下導(dǎo)桿等，其上臂材料為5083鋁合金，材料力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能

2 受電弓強(qiáng)度仿真計(jì)算

2.1 受電弓有限元模型

合理簡(jiǎn)化受電弓三維模型，采用Hypermesh軟件建立CED300受電弓整弓有限元模型。基于受電弓主要結(jié)構(gòu)都采用管件、型材等薄壁結(jié)構(gòu)，因此，受電弓上臂、下臂、底架和弓頭支架采用殼單元進(jìn)行離散化。如圖2所示，受電弓有限元模型的單元總數(shù)為231 967，節(jié)點(diǎn)數(shù)為201 173。經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量檢查，單元尺寸比較均勻，滿(mǎn)足工程精度要求。

1-底架; 2-下臂; 3-下導(dǎo)桿; 4-上臂; 5-弓頭。圖1 CED300受電弓結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 CED300受電弓有限元模型

2.2 疲勞強(qiáng)度組合工況及邊界條件

高鐵動(dòng)車(chē)運(yùn)行中，受電弓的外部載荷主要有弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力和空氣阻力。根據(jù)TB/T 3271-2011和EN 50367等標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，文中的受電弓疲勞強(qiáng)度載荷工況如表2所示。受電弓在實(shí)際運(yùn)行中，工作高度一般為1 600 mm，碳滑板與接觸網(wǎng)相互作用位置在車(chē)頂中心兩側(cè)(-400～+400) mm范圍內(nèi)往復(fù)移動(dòng)。所以設(shè)置弓網(wǎng)接觸力為垂向偏載，并將底架3個(gè)絕緣子安裝座固定約束。

表2 疲勞強(qiáng)度組合工況

3 受電弓焊縫疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)

3.1 ORE方法評(píng)價(jià)及結(jié)果

基于疲勞裂紋擴(kuò)展方向與最大拉應(yīng)力方向垂直的理論和鐵道車(chē)輛結(jié)構(gòu)承受多軸載荷的特點(diǎn)， ERRI B12/RP17報(bào)告提出采用多軸應(yīng)力向單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化方法,即ORE方法，來(lái)評(píng)價(jià)鐵道車(chē)輛結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度[3]。受電弓在運(yùn)行中也處于多軸應(yīng)力狀態(tài)，所以可以采用ORE方法來(lái)評(píng)價(jià)受電弓焊縫的疲勞強(qiáng)度。圖3為CED300上臂焊縫及編號(hào)。具體的流程是：首先計(jì)算節(jié)點(diǎn)在各載荷工況下的主應(yīng)力及方向，定義所有工況下的最大主應(yīng)力為該節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力σmax；將各工況下的主應(yīng)力向最大主應(yīng)力的方向上投影，得到的最小應(yīng)力定義為該節(jié)點(diǎn)最小應(yīng)力σmin[4]。根據(jù)所確定的最大、最小應(yīng)力確定平均應(yīng)力，并結(jié)合修正的Goodman曲線(xiàn)對(duì)受電弓焊縫的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定。所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果均在Goodman曲線(xiàn)的封閉區(qū)域內(nèi)，則說(shuō)明其滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度要求。

根據(jù)多軸應(yīng)力向單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化的方法，對(duì)受電弓上臂的18條焊縫的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)部件的材料力學(xué)性能繪制修正的Goodman圖，將計(jì)算得到的各焊縫節(jié)點(diǎn)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值在Goodman圖上描點(diǎn)。結(jié)果如圖4和圖5所示，所有點(diǎn)均落在Goodman圖的封閉曲線(xiàn)內(nèi)，說(shuō)明受電弓焊縫疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。表3中列出了最危險(xiǎn)的10個(gè)焊縫節(jié)點(diǎn)及其所在的焊縫，并用材料利用度來(lái)描述其危險(xiǎn)程度。

3.2 DVS方法評(píng)價(jià)及結(jié)果

DVS方法是評(píng)價(jià)鐵道車(chē)輛結(jié)構(gòu)焊縫疲勞強(qiáng)度的另一種標(biāo)準(zhǔn)方法， 其中DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法用于評(píng)價(jià)鐵道車(chē)輛鋁合金結(jié)構(gòu)焊縫疲勞強(qiáng)度[5]。

圖3 CED300上臂焊縫及編號(hào)

圖4 上臂焊縫頂面疲勞評(píng)價(jià)

圖5 上臂焊縫底面疲勞評(píng)價(jià)

標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)為焊縫疲勞強(qiáng)度取決于垂直于焊縫方向的正應(yīng)力、平行于焊縫方向的正應(yīng)力和沿焊縫方向的切應(yīng)力，并采用材料利用度來(lái)評(píng)價(jià)焊縫的疲勞強(qiáng)度[7]。各向應(yīng)力的材料利用度以及材料綜合利用度均小于1才能表示焊縫疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

表3 材料利用度最大的10個(gè)焊縫節(jié)點(diǎn)

基于DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)受電弓鋁合金上臂焊縫疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)的具體流程如下：

(1)利用ANSYS軟件求解焊縫節(jié)點(diǎn)在整體坐標(biāo)系下的應(yīng)力解。

(2)分別求解直線(xiàn)焊縫和曲線(xiàn)焊縫節(jié)點(diǎn)的局部坐標(biāo)系，并將整體坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力解轉(zhuǎn)化為焊縫局部坐標(biāo)系下的方向應(yīng)力。

(3)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的材料利用度計(jì)算公式計(jì)算各向應(yīng)力的材料利用度和材料綜合利用度，并根據(jù)材料利用度評(píng)價(jià)焊縫的疲勞強(qiáng)度。

根據(jù)上述流程對(duì)受電弓上臂18條焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)，其中有6條焊縫的材料利用度較大，分別為焊縫1、焊縫3、焊縫5、焊縫6、焊縫8和焊縫10。以這6條焊縫為例，其節(jié)點(diǎn)各向材料利用度和材料綜合利用度如圖6～圖11所示(焊縫5和焊縫6只列出了節(jié)點(diǎn)的綜合利用度)；可以看出，各焊縫節(jié)點(diǎn)材料利用度均小于1，表明上臂焊縫疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 焊縫1各節(jié)點(diǎn)材料利用度

3.3 兩種標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法對(duì)比分析

在上文中，分別基于ERRI B12/RP17中多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力方法(ORE方法)和DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)受電弓上臂焊縫疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，并采用材料利用度描述各焊縫節(jié)點(diǎn)的危險(xiǎn)程度。為了便于比較兩種標(biāo)準(zhǔn)方法的計(jì)算結(jié)果，將各條焊縫最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)材料利用度作為該焊縫的材料利用度，經(jīng)過(guò)計(jì)算，基于ORE法和DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法得出的材料利用度較大的6條焊縫的位置趨于一致，均為焊縫1、3、5、6、8和10，各焊縫材料利用度具體數(shù)值見(jiàn)表4。

圖7 焊縫3各節(jié)點(diǎn)材料利用度

圖8 焊縫5各節(jié)點(diǎn)綜合利用度

圖9 焊縫6各節(jié)點(diǎn)綜合利用度

圖10 焊縫8各節(jié)點(diǎn)材料利用度

圖11 焊縫10各節(jié)點(diǎn)材料利用度

值得注意的是，ERRIB12/RP17報(bào)告提出采用多軸應(yīng)力向單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化方法并根據(jù)焊接接頭在2×106次循環(huán)載荷、存活率為90%下的疲勞曲線(xiàn)來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，而DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法是焊接接頭在107次循環(huán)載荷、存活率不低于97.5%的疲勞曲線(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。以焊縫1為例(焊縫具體位置見(jiàn)圖3)，圖12是焊縫1上各節(jié)點(diǎn)在兩種方法下的材料利用度，可以看出，沿焊縫走向，兩種方法得出的焊縫節(jié)點(diǎn)材料利用度變化趨勢(shì)基本一致；再根據(jù)表4列出了在兩種標(biāo)準(zhǔn)方法下的上臂材料利用度最大的6條焊縫的計(jì)算結(jié)果，不難得出，DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算出的焊縫材料利用度比多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力方法大，這也說(shuō)明了利用DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法評(píng)價(jià)上臂焊縫疲勞強(qiáng)度更為安全。

圖12 兩種標(biāo)準(zhǔn)下焊縫1各節(jié)點(diǎn)材料利用度

表4 上臂危險(xiǎn)焊縫材料利用度

4 結(jié) 論

以有限元仿真為手段，分別基于多軸應(yīng)力向單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化方法和DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)CED300型受電弓鋁合金上臂焊縫的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)價(jià)，得到的所有焊縫的材料利用度均小于1，疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求且發(fā)現(xiàn)了上臂較為危險(xiǎn)的焊縫。多軸應(yīng)力向單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化方法和DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法，得出較危險(xiǎn)的6條焊縫的位置趨于一致，且DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算出的焊縫材料利用度比多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力方法大，說(shuō)明利用DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)方法評(píng)價(jià)上臂焊縫疲勞強(qiáng)度更為安全。