轉向架軸端接地端子裂紋原因分析及解決措施*

聶顯鵬 宋慶偉 李春來 王緒英 徐石磊 王 晗 楊 壯

(中車長春軌道客車股份有限公司,130062,長春)

隨著城市軌道交通領域的不斷發展,地鐵列車的服役里程逐漸增加,而其外部運營環境及線路條件也隨之發生著變化,轉向架承載部件裂紋、斷裂故障不斷發生且呈日趨增多的趨勢[1-5]。某線路地鐵列車轉向架投入運營后,出現了多起轉向架軸端接地線纜的接地端子(以下簡稱“接地端子”)裂紋故障,影響列車的行車安全。本文通過在線路上進行試驗測試,對接地端子裂紋產生的原因進行了分析,并通過結構優化降低軸端支架的固有模態,提升接地端子的疲勞壽命。本文研究可為轉向架軸端懸掛部件的設計提供工程經驗及理論基礎。

1 接地端子裂紋原因分析

1.1 裂紋情況

某線路地鐵列車于2018年開始上線運行,車輛運營約1萬km后,接地端子的圓弧位置處陸續出現裂紋。后續對其他列車進行普查,共計發現接地端子存在類似故障10余處。

1.2 理化分析

對斷裂的接地端子進行理化檢驗。分析結果表明,接地端子的化學成分、金相組織均滿足相關材料標準要求,接地端子斷口屬于多源疲勞斷口,在靠近端子接頭兩側邊緣斷口上的放射臺階棱線高度差較大。這說明該接地端子在工作狀態下可能承受了橫向彎曲應力,并最終導致出現裂紋。

1.3 振動測試分析

為了掌握列車運行工況及接地端子的工作狀態,在列車運行線路上對轉向架進行了振動測試,在軸箱、接地端子、線纜支架等零件上布置了應力測點及加速度傳感器。通過對測試所得加速度數據進行分析發現,接地端子、軸端支架的應力主頻集中于70～120 Hz范圍內,且該頻帶不隨列車運行速度的變化而變化,屬于輪軌接觸系統的固有模態。

選取測試列車軸端的軸箱加速度數據進行分析,并與接地端子及線纜支架的應力頻譜對比后可知,軸箱的振動頻率也集中于70～120 Hz范圍內,說明接地端子和軸端支架的振動是由軸箱振動傳遞所導致的。

1.4 頻率來源分析

通過對比試驗數據和線路異常振動區間發現,軸箱的振動主頻70～120 Hz均分布于普通道床線路上,說明該頻率成分與列車運行速度無關,是列車在普通道床上運行時特有的振動特征。

1.5 能量傳遞路徑分析

為分析能量傳遞路徑(能量傳遞路徑1——由軸箱傳遞至接地端子;能量傳遞路徑2——由軸箱傳遞至線纜支架和線夾板,經過線纜后傳遞至接地端子)對接地端子應力的影響,在滾振試驗臺上對接地端子安裝系統進行臺架掃頻試驗。在普通道床線路上,當激擾頻率為70～120 Hz時,對比分析線纜的接地端子應力響應情況。

當激擾頻率為70～120 Hz時,接地端子應力為34.82 MPa;當無線纜支架固定時,接地端子應力僅為13.95 MPa,說明接地端子應力主要受線纜支架的振動傳遞影響,即路徑2的影響最大。當接地端子在線纜支架上固定時,激擾頻率為80～95 Hz所對應的接地端子應力幅值明顯增大,說明線纜、夾線板和支架組成的系統在該頻率范圍內存在固有模態。

通過上述分析可以判斷,當列車在普通道床上運行時,列車在激擾頻率為70～120 Hz范圍內存在振動現象,該頻帶與安裝系統(支架、夾線板、線纜及接地端子)90 Hz左右的固有模態發生了共振,這是導致接地端子出現裂紋的主要原因。

2 解決措施

通過對裂紋原因進行分析,發現共振是裂紋發生的主要原因,故從通過錯頻設計改變系統模態的方向考慮,設計了2種短懸臂線纜支架,并將其與文獻[6]中的3種變截面線纜支架進行對比,研究不同結構類型線纜支架對接地端子疲勞壽命的影響。不同結構類型線纜支架照片如圖1所示。在滾振試驗臺進行掃頻試驗,分析接地端子在70～120 Hz激擾頻率下的應力響應。線纜支架通過工裝固定在轉向架的軸端,并用驅動輪模擬車輪的多邊形狀態,提供振動激勵。不同結構類型線纜支架對接地端子應力的影響如圖2所示。臺架試驗結果表明,短懸臂線纜支架結構方案可以顯著降低接地端子過渡圓弧位置的應力。

a) 原型支架(支架厚度為6 mm)b) 短懸臂支架(支架厚度為6 mm)c) 短懸臂支架(支架厚度為8 mm)d) 變截面支架(支架厚度為8 mm)e) 變截面支架(支架厚度為10 mm)f) 變截面支架(支架厚度為13 mm)

圖2 不同結構類型線纜支架對接地端子應力的影響

3 線路驗證

綜合臺架試驗結果,將原型支架結構作為對照組,選擇支架厚度為6 mm和8 mm兩種短懸臂結構線纜支架開展線路驗證試驗,即:方案1——原型支架(支架厚度為6 mm);方案2——短懸臂支架(支架厚度為6 mm);方案3——短懸臂支架(支架厚度為8 mm)。為對比不同方案的應用效果,試驗分為3次進行。測試內容包括接地端子應力、線纜支架應力,以及接地端子、線纜支架和軸箱系統的振動情況。

3.1 接地端子應力分析

3種方案的接地端子應力對比如圖3所示。由圖3可知:方案1的接地端子應力大于方案2和方案3的接地端子應力,且方案2與方案3的接地端子應力水平相當。3種方案的接地端子應力主頻對比如圖4所示。方案1的接地端子應力主頻約為90 Hz。方案2的接地端子應力主頻約為80～200 Hz,無顯著主頻。方案3的接地端子應力主頻約為180 Hz,其次為90 Hz。

a) 方案1

a) 方案1

3.2 線纜支架應力分析

3種方案的線纜支架應力對比如圖5所示。方案1的線纜支架應力最大值為88 MPa,遠大于方案2和方案3的線纜支架應力。3種方案的線纜支架應力主頻對比如圖6所示。3種方案的接地線支架主頻均集中于250 Hz以下。方案1的接地支架應力主頻約為90 Hz。方案2的接地支架應力主頻約為80～250 Hz,較為分散。方案3的接地支架應力主頻約為188 Hz,其次為90 Hz。

a) 方案1

3.3 線路原因分析

通過對測試數據進行分析后發現,更換為改進結構的線纜支架后,部分區間接地端子及線纜支架的應力幅值仍較大,線路上仍存在異常振動情況,例如25 m鋼軌接頭沖擊、線路單點沖擊和鋼軌波磨。沖擊工況下2種方案的線纜支架應力響應如圖7所示。方案2和方案3雖然改變了線纜支架的厚度,提高了其結構模態頻率,避免了線纜支架和接地端子間發生共振,但由于這二者屬于懸臂結構,在軌縫接頭、波磨等沖擊下,仍會產生自身的固有模態振動,線纜支架應力最高可達50 MPa。

a) 方案2

通過分析及試驗驗證發現,采用改進結構的線纜支架可以顯著提高接地端子的疲勞壽命。對于線路維護而言,需要控制鋼軌接頭的沖擊、波磨深度等因素,避免輪軌振動帶來的沖擊激發改進結構線纜支架的固有模態,從而保證接地端子和線纜支架的疲勞壽命。

4 結語

本文對轉向架軸端接地端子裂紋產生的原因進行了分析。研究結果表明,線路的沖擊振動導致軸箱的振動主頻為70～120 Hz。該頻帶與軸端接地端子安裝系統(支架、夾線板、線纜及接地端子)的固有模態重疊,引發系統共振,導致接地端子出現裂紋,最終通過錯頻設計的理念,同時提高系統固有模態的方法,提高了接線端子的使用壽命。

線路上部分區間的異常振動會提升接地端子的應力水平。由此可知,若不提高運營線路的維護標準,接地端子及線纜支架仍然存在共振的可能。建議在后續轉向架的設計過程中,需要注意:轉向架構架的端部、軸端部位應避免安裝懸臂結構的零部件;在無法采用錯頻設計的前提下,可以考慮通過降低結構應力設計零部件結構;結合我國高速動車組的運營經驗,構建適用于地鐵線路的運用維護標準。