基于ANSYS的碳刷接線端子結構優化研究

李延鋒，梁志偉

（河南理工大學機械與動力工程學院，河南　焦作　454000）

引言

高速動車組列車具有運行速度高、開行密度大的特點，其合理優良的接地系統設計，能夠保證列車安全可靠的運行[1]。軸端接地裝置產品是軌道客車接地系統的重要組成部分，安裝于動車組轉向架軸端，其主要作用是防止電流通過軸承流向地面而發生軸承電蝕現象，避免軸承損壞[2]。碳刷是軸端接地裝置的關鍵零部件，工作時起著傳導電流的作用，其性能的好壞直接影響到接地裝置性能的優劣[3]。

接線端子壓接在碳刷導線的端部，通過螺栓連接在碳刷架上。碳刷工作時，接線端子本身并不受力，其作用主要是連接與導流，達到一定強度即可。但是接線端子在列車運行過程中會承受隨機振動作用，在此工況下，折彎型接線端子（如圖1所示）B端與A端由于振動不一致會形成相對運動，端子折彎處C位置會受到高頻沖擊，經長期振動和導線拉扯極易導致接線端子產生物理開裂。在運行過程中，微小裂紋很容易成為應力集中部位，在隨機振動作用下成為疲勞源，當有外力作用時裂紋擴展，最終導致接線端子斷裂[4]。

直線型接線端子是由紫銅管壓扁沖孔而成，主體部位連接在碳刷架并與之構成一體結構，避免由于局部重心外移對端子造成的沖擊，提高強度。同時，直線型接線端子與導線連接的一端進行翻邊處理，能夠避免在高頻振動下端子對導線的摩擦損傷。

圖1　折彎型接線端子示意圖

1　結構靜力分析

1.1　有限元仿真

利用Pro/E軟件根據兩種接線端子的尺寸參數建立三維模型，通過接口程序導入到ANSYS軟件中。接線端子所用材料均為紫銅，螺栓連接部分上下表面加載全約束，施加扭矩大小為10 N·m。采用ANSYS對接線端子進行結構靜力分析，分別計算兩種接線端子在功能隨機振動分析、模擬長壽命分析時的應力情況。

1.1.1功能隨機振動分析

根據GB/T 21563—2008《軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》中“3類車軸安裝”規定，功能隨機振動試驗時，垂向、橫向與縱向三個方向振動值大小分別為38m/s2、34m/s2與17m/s2，兩種接線端子結構靜力分析結果分別如圖2和下頁圖3所示。

1.1.2模擬長壽命分析

根據GB/T 21563—2008中相關規定，模擬長壽命試驗時，垂向、橫向與縱向三個方向振動r.m.s.值大小分別為 300m/s2、270m/s2與 135m/s2，如下頁圖4、圖 5所示。

圖2　折彎型接線端子功能隨機振動分析應力云圖

圖3　直線型接線端子功能隨機振動分析應力云圖

圖4　折彎型接線端子模擬長壽命分析應力云圖

圖5　直線型接線端子模擬長壽命分析應力云圖

1.2　分析結果對比

根據兩種接線端子功能隨機振動分析及模擬長壽命分析時結構靜力分析結果，得到各自最大等效應力如表1所示。從表1可以看出，在功能隨機振動分析與模擬長壽命分析中，直線型接線端子的最大應力均小于折彎型接線端子，結構強度更高。

表1　兩種接線端子結構靜力分析結果　Pa

2　隨機振動疲勞分析

2.1　工況計算

兩種接線端子材料均為紫銅，執行GB/T 21563—2008標準進行譜分析仿真計算，功率譜密度曲線如圖6所示。

圖6　功率譜密度曲線（標稱頻譜的容差帶±3 dB）

當質量 ＜50 kg時，f2=500 Hz；當質量介于50～125 kg時，f2=（125/質量）×200Hz；當質量＞125 kg時，f2=200Hz。由于碳刷接線端子質量＜50 kg，因此此處取f2=500Hz。

2.2　ANSYS后處理分析結果

2.2.1功能隨機振動分析

根據GB/T 21563-2008中相關規定，功能隨機振動試驗時，各方向加速度譜密度（ASD）量級分別為垂向 8.74（m/s2）2/Hz、橫向 7.0（m/s2）2/Hz、縱向1.751（m/s2）2/Hz。根據此條件，利用 ANSYS先對兩種接線端子進行模態分析，再進行譜分析，得到兩種接線端子的1σ應力，如圖7、圖8所示。

圖7　折彎型接線端子功能隨機振動分析1σ應力云圖

圖8　直線型接線端子功能隨機振動分析1σ應力云圖

2.2.2模擬長壽命分析

根據GB/T 21563—2008中相關規定，模擬長壽命試驗時，各方向ASD量級分別為垂向545.2（m/s2）2/Hz、橫向 441.2（m/s2）2/Hz、縱向 110.3（m/s2）2/Hz。根據此條件，利用ANSYS先對兩種接線端子進行模態分析，再進行譜分析，得到兩種接線端子模擬長壽命分析的1σ應力，如圖9、圖10所示。

圖9　折彎型接線端子模擬長壽命分析1σ應力云圖

圖10　直線型接線端子模擬長壽命分析1σ應力云圖

2.3　隨機疲勞計算

兩種接線端子在功能隨機振動分析及模擬長壽命分析時的ANSYS譜分析得到1σ最大等效應力如表2所示。

表2　兩種接線端子譜分析結果　Pa

每次隨機振動循環都對累計損傷具有貢獻，隨著應力循環次數的不斷增加，累計損傷也不斷增多，直至失效[5]。對于恒定應力幅，在疲勞失效允許的循環次數是按材料的S-N曲線進行確定[6]，一般情況下，工程材料的S-N曲線為對數S-N曲線，在坐標圖上接近一條直線，近似數學公式為：

式中：N為應力幅對應的最大循環次數；S為應力幅；b對于多數材料一般為5～20的常數；c為取決于材料的常數。

如果應力幅的循環次數消耗了材料疲勞壽命的n/N部分，ni沒有達到對應的許可次數Ni，那么產生的累計損傷為：

當D=1時，表示疲勞壽命已經耗盡，預測發生了疲勞破壞。

Steinberg提出了基于高斯分布的三區間法，它表示：68.3%的時間應力值在-1σ～+1σ之間；95.4%的時間應力值在-2σ～+2σ之間；99.73%的時間應力值在 -3σ～+3σ 之間。

所以，在進行疲勞計算時，材料總體損傷的計算公式為：

假設接線端子振動時間為T，振動平均頻率為v+，那么：

n1σ=0.683 1v+T，n2σ=0.271 3v+T，n3σ=0.043 3v+T.

N1σ、N2σ、N3σ可由 1σ、2σ、3σ 應力根據紫銅 S-N曲線查詢得到。

設折彎型接線端子總體損傷為D，直線型接線端子總體損傷為D'。由表2可知，無論功能隨機振動分析還是模擬長壽命分析，折彎線接線端子的1σ應力都要大于直線型接線端子，相應的折彎型接線端子2σ應力、3σ應力也要大于直線型接線端子。那么由紫銅S-N曲線關系可得知：

由于 n1σ=n1σ'，n2σ=n2σ'，n3σ=n3σ'，那么n1σ/N1σ＞n1σ'/N1σ'，n2σ/N2σ＞n2σ'/N2σ'，n3σ/N3σ＞n3σ'/N3σ'，所以，D＞D'，即折彎型接線端子總體損傷大于直線型接線端子，由此可得出結論：直線型接線端子使用壽命更長。

3　結論

1）利用ANSYS對折彎型接線端子與直線型接線端子進行了仿真分析，對于工程實際中部件結構的優化研究具有一定的參考價值。

2）在同樣的工況下，碳刷直線型接線端子在結構強度與抗疲勞損傷等方面性能都要優于折彎型接線端子，抗振性能優越，功能上能夠替代現有折彎型接線端子。

[1]吳宏彬，李小軍，何朝保.CRH3型動車組接地系統研究與改進[J].現代國企研究，2016（3）：97-97.

[2]凌壯志.客車軸端接地裝置彈簧壓力試驗臺研制[J].計量與測試技術，2013，40（2）：36-37.

[3]劉瑩，陳維金，李楓，等.高速動車組齒輪箱接地裝置用碳刷性能對比試驗[J].機車車輛工藝，2011（6）：37-38.

[4]趙經東.剛性接觸懸掛銅鋁接線端子斷裂分析[J].城市軌道交通研究，2012（11）：111-116.

[5]唐遠強，舒大文，賴興華.ANSYS在梁-板殼結構隨機振動分析中的應用[J].新技術新工藝，2009（12）：39-42.

[6]單輝祖.工程力學（靜力學與材料力學）[M].北京：高等教育出版社，2004.