地鐵車輛風缸擋鐵斷裂故障分析

胡方陽

(南京地鐵運營有限責任公司，210012，南京//工程師)

南京地鐵10號線是南京首條過江地鐵線路，于2014年7月開通運營。10號線列車為A型車6節編組(A-B-C=C-B-A編組)，車輛由中車南京浦鎮車輛有限公司(以下簡稱“浦鎮車輛廠”)設計生產，列車牽引系統采用法國ALSTOM方案，制動系統采用德國克諾爾EP 2002方案。

2016年以來，在例行檢修時，陸續發現了多起10號線車輛制動風缸擋鐵斷裂故障(見圖1)，該故障使正線運營存在較大的安全隱患。

1 故障分析

1.1 受力分析

斷裂擋鐵的材質為SUS304不銹鋼，主要承受緊固螺栓的壓力。其受力模型可以簡化為一個超靜定梁中心受螺栓集中壓力作用且擋鐵長期受彎矩作用下發生的屈服斷裂。緊固螺栓規格為A2-70(M10)，查閱ISO 261—1998、ISO 4014—1999、ISO 4017—1999、DIN EN 20273 —1992等相關標準，通過計算可知螺栓的扭矩為34 Nm,擰緊力為20.8 kN。

a) 故障實物圖1

b) 故障實物圖2圖1 南京地鐵10號線車輛風缸擋鐵斷裂故障

1.2 仿真與強度校核

根據現有擋鐵的相關尺寸，利用有限元分析軟件Nastran建立有限元模型，并使用四面體單元進行網格劃分。擋鐵的約束位置為擋鐵外圓弧表面(全約束)，用來模擬風缸鐵箍對擋鐵的固定作用；載荷加載方向為沿螺栓緊固方向，范圍為螺母對墊片的接觸部位(總作用力20.8 kN)，如圖2所示。

圖2 車輛風缸擋鐵模型約束與載荷施加

彈塑性材料適用第四強度理論，即形狀改變能理論，使用Von_mises應力進行強度校核。計算結果顯示，擋鐵最大的Von_mises應力為315.1 MPa，發生在擋鐵中心空圓弧處，并與實際斷裂位置吻合，如圖3所示。斷裂擋鐵的材質為SUS304不銹鋼，其屈服強度為205 MPa，抗拉強度為520 MPa。從理論計算來看，擋鐵開裂位置所受應力已經超過材料屈服強度，未達到抗拉強度。由計算可知，擋鐵材料的選型并不能滿足實際的使用要求。

圖3 斷裂擋鐵的受力云圖

2 解決方案

計算結果表明，舊擋鐵存在強度不足的問題，因此，在進行新擋鐵設計時必須提高擋鐵的強度。提高擋鐵強度主要有兩種方法：一是縮小擋鐵的長度，根據擋鐵的約束和受力方式，縮小擋鐵長度可以使其中部所受彎矩減小，從而減小應力；二是更換擋鐵材料，選用屈服強度更高的不銹鋼，以提高其力學性能。

缸箍長度尺寸已經確定，縮小擋鐵長度并不可行，因此只有選用屈服強度更高的材料替換現有材料。南京地鐵10號線原型車是ALSTOM Metroplis系列A型車，浦鎮車輛廠于2002年從法國ALSTOM引進。查閱ALSTOM設計文件，擋鐵原型設計采用的是材料X20Cr13(國內牌號為2Cr13)，該材料硬度大，屈服強度為450 MPa，抗拉強度為650 MPa。10號線車輛為浦鎮車輛廠在原型車基礎上自主設計的車輛，車輛風缸擋鐵材料使用的是304不銹鋼。

經過浦鎮車輛廠與南京地鐵充分討論，決定將擋鐵材料更換為2Cr13，并將擋鐵中部直徑由原來的16 mm擴大到20 mm。由于缸箍開孔尺寸不變，為了滿足安裝空間，將擋鐵兩端與卡箍固定的位置仍切削至16 mm。另外，墊片由圓形改為方形，厚度由原來2 mm提高到5 mm，如圖4和圖5所示。

圖4 既有車輛風缸擋鐵結構(含墊片)

圖5 新車輛風缸擋鐵結構(含墊片)

3 新擋鐵強度分析

利用有限元分析軟件Nastran對新車輛風缸擋鐵結構進行強度分析。新擋鐵的約束和加載與既有擋鐵保持一致。利用四面體單元對模型進行網格劃分。模型的邊界條件如圖6所示。

圖6 新車輛風缸擋鐵邊界條件

新車輛風缸擋鐵應力云圖如圖7所示。計算結果顯示，最大的Von_mises應力仍發生在擋鐵中部開孔部位，數值為196.7 MPa，切削倒角位置最大應力為175.4 MPa。2Cr13不銹鋼的屈服強度達到450 MPa，兩個位置的安全系數分別達到2.29和2.57，靜強度完全滿足要求。

圖7 新車輛風缸擋鐵應力云圖

以上計算說明，新設計擋鐵結構的靜強度是滿足運營要求的，但它的疲勞強度是否滿足材料的疲勞極限，還需進一步分析。根據標準IEC 61373—2010，此處擋鐵及風缸屬于Ⅰ類-B級，垂向的加速度均方根值為1 m/s2,風缸的有效沖擊僅為1.1g,沖擊力很小且沖擊力對擋鐵的作用與螺栓緊固力方向相反，因此沖擊力造成的應力幅并不足以造成擋鐵的疲勞破壞。故此處可以忽略動載荷對擋鐵壽命產生的影響。

4 跟蹤研究

經過討論，決定將現車的新風缸擋鐵全部更換為新結構擋鐵，如圖8所示。

新擋鐵裝車后，為了更好地掌握實際運營過程的使用情況，驗證新擋鐵強度，選取1列車進行跟蹤研究。除了例行的日檢項目，每4個月對擋鐵進行1次探傷處理，1年后每隔6個月進行1次探傷處理。新擋鐵裝車至今已超過18個月，持續跟蹤未發現裂紋，這證明新的設計結構能夠滿足運營要求。

a) 實物圖1b) 實物圖2

圖8 新結構擋鐵實物圖

5 結語

風缸擋鐵屬于典型易于忽視的小部件，此次斷裂故障引起了主機廠和業主的重視。主機廠在整車結構設計時往往對轉向架構架、車體等關鍵部件的設計傾注大量的精力，對擋鐵這類小部件往往易于忽視。另外，國內主機廠在原型車消化吸收過程中，對設計的改進應謹慎對待，要有充分的仿真計算；要對所設計或改進部件的重要性和關鍵點有充分的理解，經驗主義設計不可取；必要時還要做相關臺架試驗，以驗證新設計的結構能否滿足運用要求。