基于線路測試數(shù)據(jù)的重載機車牽引電機機座疲勞分析

龐聰,馬濤,宗振龍

(1.中車永濟電機有限公司,陜西 西安 710000;2. 軌道交通牽引電機山西省重點實驗室,山西 永濟 044500)

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

在對機車常規(guī)檢修時,檢修人員發(fā)現(xiàn)使用時間不滿8年的機車牽引電機在吊掛位置部分焊縫結(jié)構(gòu)發(fā)生了疲勞開裂(圖1)。在對鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)進行疲勞分析時,通常采用標準中規(guī)定的隨機振動PSD譜進行疲勞壽命分析,由于標準標定的振動譜和車輛實際運用的狀況存在較大差異,所以計算結(jié)果往往不令人滿意。為了分析電機的真實受力狀態(tài),盡快找出故障原因,可先確定焊縫結(jié)構(gòu)重點關注位置,然后開展線路運行實測,得到機車不同工況(含轉(zhuǎn)彎、爬坡、隧道、橋梁、岔道等)的應力譜,數(shù)據(jù)經(jīng)過后期去零漂、去毛刺、濾波、雨流計數(shù)等處理,再根據(jù)BS 7608:2014+Al:2015進行焊縫疲勞壽命分析[1-3],最終對焊縫故障原因有了初步判斷,為進一步的原因排查指明方向,進而提出了改進措施及建議。

(a) 吊掛位置開裂細節(jié)圖

1 電機有限元仿真

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

1.1 基本理論

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

(1)

(2)

本文對電機吊掛焊縫強度進行校核,采用第四強度理論對結(jié)構(gòu)的靜強度進行分析,Von Mises等效應力σcr4應當滿足式(3):

(3)

式中:σcr4為等效應力;σ1、σ2、σ3分別為第1、第2、第3主應力;[σ]為許用應力強度。

1.2 牽引電機結(jié)構(gòu)

電力機車牽引電機由過渡盤、通風道板、壓圈、弧板吊耳、小吊掛、大吊掛、定子鐵心和非傳動端端蓋等部分組成。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) 電機上吊掛組件

1.3 電機有限元建模

利用Hypermesh進行有限元建模,由于電機結(jié)構(gòu)復雜,并且材料的厚度分布并不均勻。所以采用Ansys軟件所支持的實體單元類型Solid 185對電機模型進行離散,各部分材料屬性見表1。

表1 電機主要材料屬性

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

圖3 電機三維有限元模型

在笛卡爾坐標系下,對電機與轉(zhuǎn)向架連接位置施加約束,施加電機重量、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 電機仿真結(jié)果

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

圖4 電機焊縫應力云圖(局部)

2 疲勞計算

靜強度計算表明,電機在各工況下運行均滿足強度要求。為進一步探究電機裂紋產(chǎn)生的原因,對電機各焊縫及機體進行疲勞損傷計算。目的在于:①掌握各個焊縫位置的損傷相對大小關系,以確定是否對焊縫位置進行試驗測試。②明確試驗測試的應力貼片位置。

2.1 計算方法

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

(4)

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

由于計算僅僅尋求各個焊縫部位的相對大小關系以方便判斷,故只提取具有代表性的載荷值計算損傷值并進行對比。

2.2 計算流程

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

(a) 垂向單位載荷下焊縫應力云圖

以實測電機加速度有效值作為代表載荷值并與應力影響系數(shù)相乘,計算出各評估點的應力幅見表3。

表3 評估點應力幅 MPa

2.3 計算標準及焊接接頭選擇

計算標準選用英國BS 7608:2014+Al:2015[4]。該標準中提供了數(shù)量豐富的焊接接頭數(shù)據(jù),詳細規(guī)定了焊接結(jié)構(gòu)的疲勞評估方法,是焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估常用標準之一。其中該標準的S-N曲線用標準[4]中典型的Sr-N曲線表示,在常幅載荷作用下,每一等級接頭所施加的應力變化范圍Sr與達到疲勞的循環(huán)次數(shù)N之間的關系為:

(5)

式中:Cd為S-N曲線常數(shù)。

對應各評估點焊接接頭從BS 7608:2014+Al:2015中選取接頭類型。各評估點的焊接接頭級別皆為F級,通過標準中基本S-N曲線可以得到該等級的各項參數(shù)。

2.4 計算結(jié)果

根據(jù)焊接接頭和應力變化范圍選取對應F級下的C2、m值,代入式(5)可得到各評估點損傷值,見表4。

表4 評估點疲勞損傷值

由表4可知,電機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,這與實際情況相符。綜上所述,有必要對焊縫裂紋位置進行貼片測試,以確定焊縫位置的疲勞壽命,進一步探索裂紋產(chǎn)生的具體原因,而大吊掛的應變片粘貼位置應當在上述計算所選的評估點位置處。

3 線路測試

靜強度的仿真分析表明最大等效應力小于材料的屈服極限,不會引起在該工況下的屈服破壞。下文進一步對焊縫位置在線路運行時的實際應力狀況進行測試,得到其動應力譜,進行疲勞壽命分析。

3.1 測試工況說明

(1)測點及設備

本次測試應變采集設備采用東華應變采集儀,應變片采用6 mm三向應變花貼片,采樣頻率為1 000 Hz。選取機車一端轉(zhuǎn)向架的1號軸位和2號軸位兩臺電機進行測點布置,在大吊掛焊縫處粘貼應變片,實時獲取電機各測點應變值。應變片帖片位置見圖6。

圖6 貼片位置圖示

(2)測試線路

測試線路應涵蓋故障電機所屬電力機車運行的主要線路,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

對焊縫結(jié)構(gòu)關注位置的不同工況(轉(zhuǎn)彎、爬坡、隧道、橋梁、岔道等)的應變數(shù)據(jù),進行去零漂、濾波、轉(zhuǎn)應力、雨流計數(shù)處理,得到最大最小值、應力幅、有效值及應力雨流計數(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)時域曲線見圖7、圖8。由于2軸電機焊縫應力幅較大,所以后面的疲勞分析主要以2軸實測數(shù)據(jù)為主進行計算。

圖7 2軸電機上吊掛下焊縫

圖8 2軸電機下吊掛上焊縫

3.3 疲勞分析

(1)疲勞計算標準

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

(6)

(2)評估流程

本文基于BS 7608:2014+Al:2015對焊接結(jié)構(gòu)進行疲勞壽命評估,首先根據(jù)評估點應力類型、焊接接頭類型及承載方向,在標準中選擇對應的疲勞級別以及相關參數(shù),建立Sr-N曲線;然后根據(jù)Palmgren-Miner法則計算損傷累積;最后根據(jù)載荷譜或動應力譜所對應的里程數(shù)求出壽命[6]。

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

(7)

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

(3)計算結(jié)果

對整條線路555 km的數(shù)據(jù)進行處理,對2軸電機的2條焊縫應力譜進行疲勞壽命計算, 標準中已經(jīng)通過試驗證明平均應力對焊縫的影響可以忽略[9],每個應力幅的各個平均值次數(shù)累加起來為各應力幅值的總發(fā)生次數(shù),計算運行時長8 h電機焊縫的疲勞損傷與疲勞壽命。2軸電機上吊掛下焊縫(測點4)的計算結(jié)果見表6,2軸電機下吊掛上焊縫(測點3)的計算結(jié)果見表7。

表7 測點3、測點4疲勞損傷和疲勞壽命

按照機車一天工作16 h,一年360 d計算,2軸電機上吊掛下焊縫(測點4)的疲勞壽命為196年,滿足理論上的設計壽命,因此需要進一步考查所評價焊縫的加工工藝過程。通過對故障電機開裂的焊縫位置檢驗,發(fā)現(xiàn)此處焊縫焊接后沒有進行焊后打磨,說明該焊縫的焊接工藝需要進行優(yōu)化。2軸電機下吊掛上焊縫(測點3)的理論計算疲勞壽命僅為10年,未能滿足25年的設計壽命要求,與該電機實際運行情況相符,說明該焊接部位的結(jié)構(gòu)設計需要進行優(yōu)化。

4 結(jié)論

(1)本文經(jīng)過靜強度計算,電機焊縫的應力小于材料的屈服極限,滿足靜強度要求。與實測最大值對比,仿真值與實測值偏差較小,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,明確了試驗時應變片粘貼位置(經(jīng)過理論計算的2軸電機焊縫處損傷值較大的位置)。

(3)對實測應力譜進行分析,結(jié)果表明2軸電機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,需要進行相應的結(jié)構(gòu)改進。

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