地鐵受電弓上框架平衡桿安裝支架開裂故障處理

莫文芳，李 軍

（中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

1 故障描述

國內某型號受電弓進行日常檢修過程中發現上框架上的平衡桿安裝支板出現開裂的問題，裂紋位置在焊縫的邊緣，沿焊縫整體貫穿。

2 原因分析

上框架上的平衡桿安裝支板是由兩塊6mm厚、30 mm寬的鋁合金板材焊接于上框架頂管上，使用中該位置主要懸掛著平衡桿的止擋桿組焊。

正常使用時，受電弓止擋桿組焊的作用是止擋受電弓弓頭，避免弓頭在上升及下降時出現翻轉現象。受電弓正常集電時，碳滑板與止擋桿組焊不接觸，保證受電弓弓頭與網線的良好接觸。

止擋桿組焊在整個結構中只承受受電弓正常升降時弓頭傾斜所產生的力，該型號受電弓弓頭質量約16kg，施加給平衡桿安裝支板的力小于80N，此力由兩個6mm的支撐板承受，目前設計采用的結構承載此力是有足夠余量。受電弓運行過程中止擋桿組焊與弓頭不接觸，弓網之間的沖擊振動對安裝座沒有影響。

平衡桿安裝支板的結構原理表明，上框架的設計結構能夠滿足實際使用要求，導致問題的可能原因是：

2.1 尺寸鏈公差問題

上框架組焊中，兩安裝支板之間的標注尺寸為28mm，按照ISO13920-1996焊接未注公差，該長度尺寸的未注公差為±1；平衡桿組裝中的軸承襯套的標注尺寸為26mm，采用未注公差，按照ISO2768-mK一般公差第1部分，該尺寸的未注公差范圍為±0.2；兩側的墊圈長度為1mm，按照ISO2768-mK一般公差第1部分板厚1mm的鋼板，允許的板厚公差是±0.1。

尺寸及公差計算結果如下：

止擋桿安裝支板間的距離L=28mm：尺寸范圍LMIN=27mm，LMAX=29mm

軸承襯套長度L1=26mm：尺寸范圍L1MIN=25.8mm，L1MAX=26.2mm

單個墊圈厚度L2=1mm；L2MIN=0.9mm，L2MAX=1.1mm

上述尺寸安裝時，最大過盈量為1.4mm；最小過盈量為0.6mm；

最小配合間隙為0.6mm；最大配合間隙為1.4mm。

產品尺寸鏈計算結果顯示，現場裝配可能出現墊圈無法安裝的問題，現場人員為保證安裝，直接采用強行用扳手掰開安裝支板，擴大安裝間距的方法進行組裝。導致安裝支板根部的焊縫原始結構破壞，用螺栓緊固時，增加了此位置的有害內應力，長時間使用導致了開裂現象。

2.2 產品焊接質量問題

焊縫出現咬邊或是焊縫未熔合，導致焊縫的承力性能減弱，出現開裂現象。

3 解決措施

3.1 限定安裝支板尺寸公差

尺寸鏈公差計算，軸承襯套與墊圈配合的最大尺寸為 26.2+2×1.1=28.4mm，最小尺寸為 25.8+2×0.9=27.6mm，為保證軸承安裝時為間隙配合，設計將上框架組焊中，兩焊接支架之間的標注尺寸由28mm變更為28.5（0；+0.5）mm。配合安裝后，配合間隙最小為0.1，極限條件下的最大間隙為1.4，能夠保證此位置軸承組件的安裝間隙，同時避免過大安裝間隙產生的應力。

3.1.1 受力計算

上框架上安裝支板的簡單力學模型見圖1：

圖1 安裝支板簡單力學模型

裝支板上，緊固力矩20Nm。

根據公式：T=KFd，

式中，T-螺母擰緊力矩，Nm，T=20Nm；-扭矩系數（在0.15～0.2），k=0.18；F-預緊力，N；d-螺紋大徑，m，d=0.008 m；F=T/Kd=13888N。

計算結果顯示，安裝支板使用時受到13888N的預緊力，13888N的力壓裝安裝支板后，安裝支板變形量較大，被軸承套支撐，安裝支板未受到13888N的壓緊力作用。采用撓度計算方式進行相關力學性能的校核。

撓度公式：c=Pa2（3b-a）/6EI

式中：P-施加壓力（N）；a-力臂（mm），a=24mm；b-桿長（mm），b=30mm；c-位移量（mm），c=1.4/2=0.7mm；E-彈性模量，鋁合金 E=7×104MPa；I-截面慣矩 mm4，I=Lh3/12；h-截面長度 mm，h=6mm；L-截面寬度 mm，L=30mm。

將相關參數代入公式后計算得P=4176N

計算結果顯示，擰緊力矩施加的預緊力13888N力只有部分（4176N）施加在安裝支板上。

根據應力計算公式δ=Pa/I，代入上式相關數據得到安裝支板底部受到的應力δ=186MPa。

安裝支板采用6mm厚的7020T6板材加工而成，材料抗拉強度為350MPa。由于安裝支板采用焊接結構，焊后的鋁合金材料力學性能會衰減30%～40%，衰減后的力學性能為210～245MPa≥δ=186MPa。即設計尺寸能夠滿足使用要求，且有13%～32%的設計余量，能夠安全使用。

3.2 取消螺母緊固連接

計算表明，即使限定產品加工公差，在保證間隙配合，極限情況下會導致較大內應力（186MPa）。為解決問題，要避免上框架上平衡桿安裝支板受到螺栓擠壓力。平衡桿安裝螺栓使用時受到的垂向力小于200N，縱向除受螺母擰緊力矩施加的力外幾乎不受力。為實現安裝支板裝配時不受螺栓擠壓力作用，設計采用開口銷的防止脫落結構，此結構消除了螺栓擰緊力矩產生的安裝支板內應力，同時可以起到螺栓緊固的作用。

3.2.1 軸銷的選型計算

為保證軸銷裝配及使用強度，設計沿用原結構，采用不銹鋼材料制造軸銷。

受電弓運行時，軸銷受到的力小于F=200N，此力的力臂L=180mm，根據應力計算公式δ=FL/I，

式中：I-截面慣矩 mm4，I=0.0491d4；d-截面長度 mm，d=8mm。

代入上式后，得到 δ=178.6MPa＜310MPa，有 174%左右的設計余量。

受電弓運行時，沿軸銷方向幾乎不受力，開口銷使用時幾乎不受剪切力，設計在該軸銷向選用的開口銷（2×18）型號。

4 結語

分析結果表明，導致問題的原因：結構設計復雜、尺寸鏈設計不合理及現場管理不到位等，后續產品設計考慮將操作人員工作簡單化，同時考慮國內加工設備精度及員工操作設備習慣，合理設計產品尺寸鏈，避免產品出現類似質量問題。