基于線路試驗條件下城軌用受電弓弓頭板簧壽命預(yù)計

李 偉

(廈門軌道交通集團有限公司， 福建廈門 361000)

隨著我國經(jīng)濟的高速增長及城市化進程的不斷加快，城市軌道交通快速發(fā)展，隨之而來在剛性接觸網(wǎng)運行下的地鐵受電弓問題逐漸增多，主要集中在滑板磨耗較大及部件的疲勞問題，其中影響較大的主要有弓角、上框架、下導(dǎo)桿、下臂連接處開裂和弓頭板簧斷裂等問題。

疲勞問題往往會給受電弓部件帶來重大安全隱患，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致接觸網(wǎng)破壞，從而導(dǎo)致線路段弓網(wǎng)系統(tǒng)損壞，影響整條線路的正常運營。結(jié)合城軌地鐵用CED160系列受電弓，通過對其結(jié)構(gòu)強度進行受力分析，從理論上獲得在極限載荷條件下部件薄弱環(huán)節(jié)，并根據(jù)廈門地鐵1號線線路試驗獲得的疲勞載荷數(shù)據(jù)情況對受電弓關(guān)鍵受力部件板簧進行壽命預(yù)計，為后續(xù)檢修使用維護提供理論依據(jù)。

1 受電弓極限載荷受力分析

地鐵車輛運行中受電弓受到載荷主要有4個方面，包括弓網(wǎng)接觸力、車輛振動、風(fēng)阻、重力。

1.1 弓網(wǎng)接觸力

弓網(wǎng)接觸力主要用于保證受電弓與接觸網(wǎng)的正常受流，其最小接觸力應(yīng)確保受電弓和接觸線之間不喪失接觸。受電弓與接觸網(wǎng)組成一個相互振蕩和耦合的振動系統(tǒng)，接觸壓力也會隨受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)的組合而變化。列車運行的安全性和性能，滑板和接觸線的磨損，主要受到受電弓與接觸網(wǎng)之間動態(tài)相互作用的影響。

根據(jù)IEC 62486-2010《軌道交通 受流系統(tǒng) 受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》[1]中的規(guī)定：當(dāng)速度小于200 km/h時，其動態(tài)接觸力小于等于300 N。地鐵車輛一般設(shè)計速度最大為120 km/h，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)定極限接觸壓力為300 N。

1.2 車輛振動

受電弓在運行試驗中主要通過考核其隨機振動、長壽命振動和沖擊振動，驗證受電弓動態(tài)性能。根據(jù)IEC 61373-2010《鐵路應(yīng)用 車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗》[2]的規(guī)定，車頂設(shè)備按照1類A級進行考核，選取沖擊振動試驗作為極限載荷條件之一，其在車輛振動情況按表1規(guī)定。

表1 受電弓振動加速度

1.3 風(fēng)阻

考慮到地鐵車輛在隧道中運行情況，受電弓氣動阻力會對受電弓造成一定的影響，考慮將風(fēng)阻作為載荷條件之一。

根據(jù)經(jīng)典空氣動力學(xué)理論可知，空氣阻力計算公式：

(1)

式中：ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，常溫下空氣密度，取1.205 kg/m3；cw空氣阻力系數(shù)，取最大值為1；A為迎風(fēng)面積，見表2；v為相對于風(fēng)的速度，考慮隧道內(nèi)會車其值增加25%，以車輛最大設(shè)計速度120 km/h為基準(zhǔn)，取值150 km/h。

結(jié)合受電弓的空氣動力學(xué)試驗和考慮安全余度:

F阻力=1.5f

(2)

最大工作高度下，受電弓開閉口運行時的迎風(fēng)面積見表2：

表2 CED160型受電弓運行時迎風(fēng)面積(主要部件)

1.4 各部件強度分析結(jié)果

參照以上極限載荷加載情況，結(jié)合ANSYS軟件對受電弓進行載荷應(yīng)力分析，根據(jù)結(jié)果查看最大應(yīng)力主要分布在弓頭板簧處，板簧材料為0Cr17Ni7Al，厚度為2 mm，最大應(yīng)力值為1 018.9 MPa，如圖1所示。在極限工況條件下，受電弓各部件應(yīng)力均未超過其材料屈服強度，各部件應(yīng)力結(jié)果見表3，受電弓滿足在極限載荷強度的設(shè)計要求，從結(jié)果可以查看受電弓弓頭板簧應(yīng)力最大，故對其疲勞情況進行重點分析。

圖1 受電弓應(yīng)力分布情況

部件材料屈服強度/MPa最大應(yīng)力/MPa弓頭0Cr17Ni7AL>16001018.9上臂鋁合金>12593.36下臂碳鋼Q345>345164下導(dǎo)桿不銹鋼304>20546底架碳鋼Q345>345273.5

2 受電弓弓頭板簧疲勞壽命預(yù)計

由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)是周期性結(jié)構(gòu)，受電弓在運行過程中處于交變載荷下工作，并對受電弓產(chǎn)生隨機激勵，導(dǎo)致受電弓疲勞破壞，尤其是剛性接觸下，受電弓工作環(huán)境更為惡劣，一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致弓網(wǎng)受流變差，甚至嚴(yán)重情況下將會導(dǎo)致接觸網(wǎng)癱瘓，影響整條線路段的運營，故結(jié)合以上載荷受力分析情況，對受電弓關(guān)鍵部件弓頭板簧進行疲勞分析十分必要。

2.1 受電弓弓頭結(jié)構(gòu)形式及板簧參數(shù)

受電弓的結(jié)構(gòu)包含下臂Q1、下導(dǎo)桿Q2、上臂Q3、上導(dǎo)桿Q4和弓頭Q5結(jié)構(gòu)組成。受電弓的接觸力Fc是受電弓的垂向特性，在實際的研究中通常將列車的縱向剖面作為研究平面，將結(jié)構(gòu)向該平面投影，簡化為一個2個四連桿組成的二維結(jié)構(gòu)，如圖2所示。弓頭Q5板簧部件在靜態(tài)情況下受到弓網(wǎng)接觸力和重力的作用，在動態(tài)運行過程中受到靜態(tài)接觸力、重力、硬點沖擊力等復(fù)合作用，以上動態(tài)載荷情況可根據(jù)實際線路試驗采集。

圖2 受電弓二維結(jié)構(gòu)圖

受電弓弓頭板簧采用0Cr17Ni7Al彈簧鋼材料，主要用于受電弓運行過程中碳滑板的支撐及實現(xiàn)弓頭垂向自由度，是保證受電弓受流的關(guān)鍵部件，如圖3所示。0Cr17Ni7Al主要性能參數(shù)見表4。

圖3 受電弓弓頭板簧結(jié)構(gòu)圖

表4 弓頭板簧主要性能參數(shù)

2.2 受電弓板簧線路試驗載荷數(shù)據(jù)采集

廈門地鐵1號線受電弓在線路運行過程中載荷歷程數(shù)據(jù)通過在受電弓弓頭板簧上加裝4個壓力感器進行采集，如圖4所示，壓力傳感器測出弓頭板簧4個位置所受壓力，并經(jīng)過綜合分析受電弓靜接觸力、慣性力及空氣動力等得出動態(tài)接觸壓力，即為板簧動態(tài)受力情況；壓力傳感器輸出與數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間包括前置放大器、信號調(diào)制器、光纖盒數(shù)據(jù)接口等設(shè)備，數(shù)據(jù)采集單位周期為車輛線路單向全程。采集數(shù)據(jù)為受電弓板簧動態(tài)受力情況，單位周期內(nèi)板簧受力載荷記錄情況見圖5。

圖4 受電弓弓頭板簧力傳感器分布及數(shù)據(jù)采集示意圖

圖5 廈門地鐵1號線受電弓板彈簧線路歷程載荷

2.3 板簧疲勞壽命預(yù)計

根據(jù)廈門地鐵1號線線路試驗實測受電弓板簧載荷情況查看其載荷分布符合隨機載荷特性，故結(jié)合雨流法，把不規(guī)律的實測載荷歷程轉(zhuǎn)化為具有一定規(guī)律的載荷情況后進行疲勞計算，并根據(jù)Miner線性累積損傷理論進行疲勞壽命分析，即構(gòu)件損傷之和等于1時構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞[4]。

(3)

式(3)中，k為交變載荷的應(yīng)力水平級數(shù)；ni為第i級載荷Si在載荷譜一個循環(huán)中發(fā)生的次數(shù)；Ni為第i級載荷Si單獨作用下的破壞循環(huán)數(shù)，B為在應(yīng)力載荷譜作用下達(dá)到疲勞所需的載荷譜塊數(shù)，即為部件達(dá)到疲勞破壞實際循環(huán)次數(shù)，此式為ANSYS有限元分析中隨機載荷壽命預(yù)計理論依據(jù)。

圖6 0Cr17Ni7Al 材料S-N曲線

根據(jù)ANSYS軟件FATIGUE模塊對板簧進行隨機載荷壽命預(yù)測，設(shè)置疲勞強度因子為0.8；如圖6所示，S-N曲線參照唐玉婷[3]關(guān)于0Cr17Ni7Al 材料的S-N試驗結(jié)果；仿真計算中載荷加載情況即為實際線路試驗實測載荷數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)參照圖5；板簧設(shè)計壽命為55 000次單向循環(huán)(車輛運行10年或1 250 000 km測算對應(yīng)循環(huán)次數(shù))。

通過仿真計算分析查看板簧壽命云圖7可知，最大壽命為1.03×106次循環(huán)，最小壽命為1.97×105次循環(huán)。查看安全系數(shù)云圖8，以設(shè)計壽命55 000次循環(huán)作為設(shè)計壽命，最小安全系數(shù)為1.29，滿足壽命預(yù)計及使用要求，疲勞薄弱環(huán)節(jié)位于板簧連接固定根部和折彎位置處，與實際損傷及仿真分析位置一致。

圖7 壽命云圖

圖8 安全系數(shù)云圖

另外通過查看仿真結(jié)果可知雨流陣列及對應(yīng)的損傷矩陣均發(fā)生在低應(yīng)力范圍，如圖9所示，分析結(jié)果以三坐標(biāo)形式表示，Z軸方向表示循環(huán)次數(shù)，X軸方向表示動強度(即為幅值/MPa)，Y軸方向表示靜強度(即為均值/MPa)；通過損傷陣列結(jié)果可知疲勞損傷主要由高幅應(yīng)力循環(huán)作用造成，圖10中高損傷區(qū)域?qū)?yīng)圖9中高應(yīng)力值，當(dāng)損傷值達(dá)到1時即為疲勞破壞，實際仿真表明板簧滿足疲勞設(shè)計要求，未造成疲勞損傷，如圖10所示，Z軸方向表示損傷率，X軸方向表示動強度(即為幅值/MPa)，Y軸方向表示靜強度(即為均值/MPa)；實際線路載荷試驗采集數(shù)據(jù)中高應(yīng)力區(qū)域主要發(fā)生在接觸網(wǎng)硬點處，圖9中所示為載荷突變點(應(yīng)力幅值和均值較大點)即為硬點造成的載荷突變，所以通過仿真分析可知接觸網(wǎng)質(zhì)量會直接影響到受電弓弓頭板簧的壽命。

圖9 雨流陣列結(jié)果

圖10 損傷陣列結(jié)果

綜上，根據(jù)線路實測受電弓板簧載荷試驗情況，并結(jié)合仿真軟件對其疲勞壽命進行預(yù)計，最小壽命為1.97×105次循環(huán)，滿足設(shè)計壽命為55 000次(車輛運行10年或1 250 000 km測算對應(yīng)循環(huán)次數(shù))要求，最小安全系數(shù)為1.29。

3 結(jié) 論

(1)對城軌用受電弓構(gòu)件進行應(yīng)力分析，在極限載荷情況下，各部件滿足使用要求，并查看受電弓弓頭板簧為最大受力環(huán)節(jié)薄弱點。

(2)結(jié)合線路試驗載荷歷程數(shù)據(jù)，對受電弓弓頭板簧進行壽命預(yù)計，滿足地鐵車輛10年或者1 250 000 km架大修使用要求，但需要嚴(yán)格按照架大修進行板簧更換，防止由于疲勞損傷造成的部件破壞。

(3)根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)硬點對受電弓弓頭板簧結(jié)構(gòu)件疲勞壽命造成的損傷較大，后續(xù)應(yīng)在維護過程中應(yīng)加強接觸網(wǎng)硬點的維護。

(4)由于弓頭板簧上質(zhì)量在一方面決定受流質(zhì)量，如何優(yōu)化板簧結(jié)構(gòu)強度的同時減少板簧質(zhì)量且不影響壽命的同時，在后續(xù)研究過程中將進行進一步分析。