基于線路測試數據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的新一代主力重載貨運電力機車,在鐵路客運方面發揮著重大作用。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境不斷惡化,其中牽引電機作為動力的主要來源,其能否穩定運行直接關系到鐵路機車的可靠性。

在對機車常規檢修時,檢修人員發現使用時間不滿8年的機車牽引電機在吊掛位置部分焊縫結構發生了疲勞開裂(圖1)。在對鐵路車輛焊接結構進行疲勞分析時,通常采用標準中規定的隨機振動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,所以計算結果往往不令人滿意。為了分析電機的真實受力狀態,盡快找出故障原因,可先確定焊縫結構重點關注位置,然后開展線路運行實測,得到機車不同工況(含轉彎、爬坡、隧道、橋梁、岔道等)的應力譜,數據經過后期去零漂、去毛刺、濾波、雨流計數等處理,再根據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) 吊掛位置開裂細節圖

1 電機有限元仿真

為了快速得到故障電機的受力狀態,本文通過有限元仿真分析初步確認焊縫結構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構看作由有限個單元僅在節點處連接的整體,首先需要分析每一個單元的特性,并依據單元之間的聯系,建立整體性方程,求出整個結構的解,然后列出節點應力矩陣方程,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構的靜強度進行分析,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 牽引電機結構

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,由于電機結構復雜,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個節點、2 947 996個單元,模型總質量為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,對電機與轉向架連接位置施加約束,施加電機重量、單邊磁拉力、極限轉矩以及GB/T 21563—2018所規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應力發生在裂紋焊縫位置的端部焊趾處,其應力值為138.85 MPa。根據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應力分析法。準靜態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生的靜態應力影響因子(SIC)相乘疊加原則計算結構應力歷程,在假定平面應力條件下,節點準靜態應力計算的公式為[4]:

(4)

式中:n為應用載荷歷程的數量;σxi(t)、σyi(t)、τxyi(t)為應力影響系數,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]。該標準中提供了數量豐富的焊接接頭數據,詳細規定了焊接結構的疲勞評估方法,是焊接結構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與達到疲勞的循環次數N之間的關系為:

(5)

式中:Cd為S-N曲線常數。

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。

2.4 計算結果

根據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 數據處理

對焊縫結構關注位置的不同工況(轉彎、爬坡、隧道、橋梁、岔道等)的應變數據,進行去零漂、濾波、轉應力、雨流計數處理,得到最大最小值、應力幅、有效值及應力雨流計數譜,路線測試結果見表6。

表6 線路測試結果 MPa

測試數據時域曲線見圖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軸實測數據為主進行計算。

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量)為2,σ為和存活率有關的標準偏差,計算所用相關參數值在BS 7608:2014+Al:2015中已經給出。在BS 7608:2014+Al:2015中,考慮低應力循環時,損傷比計算公式為:

(6)

(2)評估流程

本文基于BS 7608:2014+Al:2015對焊接結構進行疲勞壽命評估,首先根據評估點應力類型、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,建立Sr-N曲線;然后根據Palmgren-Miner法則計算損傷累積;最后根據載荷譜或動應力譜所對應的里程數求出壽命[6]。

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

(7)

結合式(7)與雨流計數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構能夠運行的總時長,得到其疲勞壽命[7-8]。

(3)計算結果

對整條線路555 km的數據進行處理,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累加起來為各應力幅值的總發生次數,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)的計算結果見表6,2軸電機下吊掛上焊縫(測點3)的計算結果見表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,發現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構設計需要進行優化。

4 結論

(1)本文經過靜強度計算,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,需要進行相應的結構改進。

(4)工藝生產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,從而提高產品的疲勞壽命。