北京地铁1号线车辆受流鞋失效分析及改进

北京地铁1号线车辆受流鞋失效分析及改进

1受流鞋、鞋臂断口与车辆疲劳可靠性评估公交车的接收方式包括两种类型：开放式接触网和三轨电网。北京地铁全部采用第三轨供电方式,牵引供电系统的电力通过与第三轨接触的受流器输送到车辆上。北京地铁1号线SFM04型列车是为服务奥运会投入的新型列车,由南车青岛四方机车车辆股份有限公司设计制造,采用750V第三轨上部接触受流方式。新型受流器的结构如图1所示。受流器由受流靴和直流熔断器组成。受流靴设计寿命为300万km。受流靴在原设计中采用了弱连接结构的机械保护方案,当受流靴在轨道上受到纵向大于11.9kN或垂向大于4.5kN的载荷时,为了保护整个受流器和与之安装的转向架,受流靴会在靴臂处断裂。北京地铁1号线列车每年的运行里程为30万km。受流靴300万km的设计寿命相当于运用10年。但自2007年底该车投入使用以来,其受流靴靴臂使用不到2年就批量出现裂纹,且多次因为断裂导致受流靴落于地铁线路中而影响列车供电和运行。这严重威胁到地铁列车的运行安全,也大大提高了列车运用成本。图2所示为靴臂断口,可看到断口有明显的两个部分,分别为裂纹扩展区和最后断裂区。因此,初步确定受流靴靴臂断裂不是由于受到大载荷,而是由于疲劳强度不足引起的。为此,笔者提出城市轨道交通车辆关键部件疲劳可靠性评估及改进方法,其流程如图3所示。通过该方法,对受流靴靴臂疲劳断裂问题进行定量分析,并对受流靴结构进行改进,以达到规定的使用寿命。2疲劳性能测试根据图3,对受流靴结构进行疲劳可靠性评估需要进行抗载能力研究,以获得受流靴材料的疲劳性能特性。该受流靴为法国制造,靴体为铸铁材料,国外制造厂家不提供材料的疲劳性能资料,因此需要通过疲劳试验进行测定。疲劳试验使用国家标准规定的轴向光滑试样,在疲劳实验机上进行循环疲劳加载试验。试样取自法方提供的受流靴备件。采用成组法和小子样升降法结合的试验方法,得到不同可靠度下的p-S-N曲线。图4为可靠度p=99%的S-N曲线。据此并考虑材料表面系数,得到受流靴疲劳极限σe=88.72MPa。3等效应力幅计算在北京地铁1号线列车上进行车载试验,采集了2个受流靴上8个测点在实际线路上往返运行的动应力数据。受流靴测点分别布置在受流靴圆弧内以及圆孔边缘(见图5)。用雨流计数法进行动应力的循环计数处理,编制了各测点的应力谱;采用Miner线性疲劳累计损伤法则和美国国家航空航天局针对变幅加载条件所推荐的S-N曲线长寿命区形式计算等效应力幅。采用这一方法可使各级应力水平产生的损伤均得到合理的考虑。与运用里程对应的等效应力幅计算式为:σaeq=[LL1N∑ni(σai)m]1mσaeq=[LL1Ν∑ni(σai)m]1m式中:L——转向架在规定使用年限内的总运用公里数,本研究取L=300万km;L1——线路实测动应力时的运行公里数,本次试验L1=63km;ni——与各级应力水平对应的应力循环次数,即各测点应力谱中各级应力的出现次数;σai——应力谱中各级应力水平的幅值;m——S-N曲线方程的指数;N——与结构或材料的疲劳极限所对应的循环次数。将相关数值代入公式,即可计算出相应的等效应力幅(见表1)。由表1可见,在受流靴结构运用300万km后,受流靴8个测试部位的等效应力幅值均大于结构许用疲劳强度88.72MPa,说明该部位疲劳强度不足,不能满足300万km运行需要。其中,4位受流靴圆弧内4左侧测点的寿命最短,为40万km,该寿命与受流靴实际运用寿命一致。4流型结构改善为保证列车安全,需要对受流靴结构进行改进。依据图3的流程,需要获得与设计寿命关联的载荷。4.1受流鞋等效载荷的计算疲劳设计中的损伤一致性原则是:疲劳设计载荷(等效载荷)产生的损伤应该与结构在寿命期所承受的所有载荷产生的损伤相等。本文以线性疲劳累计损伤法则下得到的等效应力为基础确定受流靴的等效载荷,其值与一定寿命下的等效应力幅相关,用该等效载荷对受流靴的结构进行计算和改进。本文采用计算机有限元模拟方法确定受流靴等效应力和等效载荷的关系;使用AltairHyperworks对受流靴进行合适的有限元网格划分;使用Ansys对受流靴进行有限元加载计算(见图6、图7),并对计算结果进行处理,确定与车载试验得到的等效应力相对应的等效载荷垂向为FEV=596N。即受流靴在列车运行300万km中产生的损伤相当于持续加载107次的疲劳载荷。4.2受流鞋臂弱连接改进方案进行结构优化设计的三个要素是:优化目标,优化边界约束条件,优化算法。受流靴结构改进方案需要达到以下目标:①受流靴的疲劳强度满足运行300万km的要求;②靴臂的弱连接能够实现保护受流器和转向架的功能。受流靴结构改进方案需满足的约束条件为:①不改变弱连接结构中央孔径;②弱连接结构两侧圆弧切口宽度不大于18mm,深度不大于11mm。为达到目标,需要降低弱连接处应力。本文采用迭代计算方法对弱连接部位进行参数比选和优化,最终建议将原结构弱连接处两侧圆弧半径由8mm变为16mm,如图8所示。4.3满足受流鞋、流水人员量要求修改后的受流靴需要根据设计目标进行疲劳可靠性校核。首先进行疲劳强度校核:加载等效载荷FE=596N,弱连接处应力最大幅值为85.7MPa,对应运营公里数为333.6万km,满足受流靴结构300万km疲劳强度88.7MPa、可靠度99%的要求。其次进行功能性强度校核:当受流靴受到纵向11.9kN或垂向4.5kN的载荷时,计算得到弱连接部位的最大应力分别为646MPa和1188MPa,均大于受流靴铸铁材料的抗拉强度(565MPa),因此可以实现保护受流器和转向架的功能。5疲劳可靠性评估及改进方法北京地铁1号线列车所采用的新型受流器具有线路适应性强、受流稳定、结构简单,以及具有异常冲击载荷自断裂保护功能等优点,但原结构在实际线路上的寿命