某型動車組車頭部玻璃鋼底板故障分析與優(yōu)化設(shè)計

彭國平 弓海斌

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266000)

0 前言

為保證動車組車底整體結(jié)構(gòu)平順化和設(shè)備艙的密封性，需將車頭部下方凹陷處進行密封，為減小質(zhì)量，密封板一般采用玻璃鋼材質(zhì)，四周通過16個M10×40螺栓進行緊固，如圖1所示。動車組運行20萬km左右時，檢查發(fā)現(xiàn)多處螺栓安裝孔周圈存在裂紋。

圖1 玻璃鋼底板

該玻璃鋼底板尺寸為1 268 mm×925 mm×6 mm，質(zhì)量為16.56 kg；由于該底板尺寸較大，在中部黏接截面為6 mm×20 mm的網(wǎng)狀玻璃鋼加強筋，保證結(jié)構(gòu)整體剛度；四周設(shè)16個?12 mm螺栓孔，提高安全冗余，玻璃鋼底板螺栓安裝孔處預(yù)埋40 mm×40 mm×2 mm的不銹鋼墊板，增強連接部位受壓能力，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 玻璃鋼底板及預(yù)埋不銹鋼墊板結(jié)構(gòu)

1 玻璃鋼底板故障原因調(diào)查

1.1 故障部位調(diào)查

通過對此結(jié)構(gòu)裂紋的玻璃鋼底板進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，裂紋位置全部位于螺栓緊固處，對裂紋形態(tài)進行分析，裂紋源位于不銹鋼墊板與玻璃鋼黏接處。

1.2 故障部位螺栓孔處制造工藝分析

(1)制作6 mm厚的整體玻璃鋼底板，脫模后開孔定位，然后將孔周邊的不銹鋼墊板預(yù)埋區(qū)域打磨去除4 mm，剩余厚度為2 mm，如圖3所示。

圖3 不銹鋼墊板區(qū)域加工打磨

(2)放入不銹鋼墊板，與玻璃鋼底板上的開孔對齊，然后用黏接劑黏接為一體，如圖4所示。

圖4 不銹鋼墊板粘接

(3)上表面采用兩層EMC450短切氈糊制補強，固化后開孔并打磨平整，如圖5所示。

圖5 不銹鋼墊板上部糊制補強

對現(xiàn)場施工進行調(diào)查，不銹鋼墊板預(yù)埋生產(chǎn)工藝要求較高，為確保不銹鋼墊板四周區(qū)域纖維連續(xù)，需要滿足以下要求：(1)玻璃鋼底板與不銹鋼墊板貼合處需打磨平整，平面度要求較高；(2)不銹鋼墊板表面平整度要求高，不允許存在邊緣不齊、銳角棱邊等現(xiàn)象；(3)要求不銹鋼墊板周圈糊制均勻，纖維連續(xù)。

1.3 仿真分析

對上述玻璃鋼底板使用HyperWorks有限元軟件進行仿真分析，載荷工況分為底板自重+2 500 Pa氣動載荷、底板自重-2 500 Pa氣動載荷兩種工況。仿真結(jié)果表明：墊板四周區(qū)域纖維不連續(xù)，存在樹脂聚集薄弱區(qū)，該區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 加工后放置墊板工藝仿真計算結(jié)果

1.4 地面故障再現(xiàn)試驗

模擬現(xiàn)車工況的氣動載荷(氣動載荷±2 500 Pa，150萬次)，對無故障的玻璃鋼底板進行了疲勞試驗。試驗進行至40萬次時，檢查發(fā)現(xiàn)底板4處螺栓安裝孔位置出現(xiàn)裂紋，裂紋起始位置與故障件開裂位置及仿真分析中應(yīng)力集中位置一致，均位于不銹鋼墊板與玻璃鋼結(jié)合處。

1.5 小結(jié)

根據(jù)仿真計算、地面試驗等分析玻璃鋼底板裂紋的原因為：不銹鋼墊板預(yù)埋施工工藝存在缺陷，四周存在應(yīng)力集中；施工制造過程中，預(yù)埋墊板四周存在邊緣不齊、銳角棱邊等制造缺陷，加劇應(yīng)力集中效果；在氣動載荷沖擊作用下，應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋直至發(fā)展斷裂。

2 玻璃鋼底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化方案

2.1.1改善施工工藝

將預(yù)埋不銹鋼墊板改為預(yù)埋不銹鋼襯套，改善施工工藝，降低施工難度，襯套安裝無須打磨玻璃鋼底板，消除螺栓安裝孔周邊纖維不連續(xù)問題，避免制造缺陷。

2.1.2提升整體剛度

進一步優(yōu)化玻璃鋼底板結(jié)構(gòu)，提高底板整體剛度，降低氣動載荷對玻璃鋼底板變形量。(1)玻璃鋼底板與車體骨架連接區(qū)域厚度由6 mm增至8 mm；(2)中部加強筋由矩形(截面6 mm×20 mm)網(wǎng)狀玻璃鋼加強筋結(jié)構(gòu)改為梯形(截面50 mm×30 mm×10 mm)網(wǎng)狀加強泡沫芯材結(jié)構(gòu)(見圖7)。

圖7 優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)

2.1.3降低應(yīng)力集中

在玻璃鋼底板螺栓安裝孔四周增加通長U型不銹鋼梁，增加螺栓安裝受力面積，通過U型梁對螺栓緊固力的再分配，消除應(yīng)力集中，降低螺栓安裝孔處所受應(yīng)力，如圖8所示。

圖8 U型不銹鋼梁防脫結(jié)構(gòu)

2.2 仿真分析

對優(yōu)化后玻璃鋼底板采用HyperWorks有限元軟件進行仿真分析，載荷工況分為底板自重+2 500 Pa氣動載荷、 底板自重-2 500 Pa氣動載荷兩種工況。仿真結(jié)果表明：由于玻璃鋼底板剛度增加、U型梁對螺栓緊固力進行了再分配，螺栓孔襯套周邊應(yīng)力大幅降低，可靠性進一步提高，如圖9所示。

圖9 仿真計算結(jié)果

2.3 地面試驗驗證

按動車組現(xiàn)車工況對優(yōu)化后玻璃鋼底板進行疲勞試驗，在施加氣動載荷±2 500 Pa的作用下，進行了150萬次試驗，試驗完成后，底板及不銹鋼襯套周邊未出現(xiàn)裂紋、變形等缺陷。

2.4 實施效果

優(yōu)化方案裝車后，運行里程已超過120萬km，目視檢查底板及不銹鋼襯套周邊未發(fā)現(xiàn)裂紋。對比原結(jié)構(gòu)在運行20萬km左右即發(fā)生問題，結(jié)構(gòu)可靠性顯著提升。

3 結(jié)論

本文對玻璃鋼底板故障進行了分析，指出了造成裂紋的根本原因，從設(shè)計結(jié)構(gòu)、降低應(yīng)力集中、提升整體剛度等方面進行了優(yōu)化設(shè)計，并經(jīng)過強度仿真分析、地面疲勞強度試驗及現(xiàn)車驗證，驗證了新結(jié)構(gòu)的底板在疲勞強度和應(yīng)力集中方面有顯著改善，解決了玻璃鋼底板裂紋故障的隱患，保證了列車的運行安全、可靠。□