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(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

1 故障描述

國內(nèi)某型號受電弓進(jìn)行日常檢修過程中發(fā)現(xiàn)上框架上的平衡桿安裝支板出現(xiàn)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(xiàn)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)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(wǎng)線的良好接觸。

止擋桿組焊在整個結(jié)構(gòu)中只承受受電弓正常升降時弓頭傾斜所產(chǎn)生的力，該型號受電弓弓頭質(zhì)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(shè)計采用的結(jié)構(gòu)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(wǎng)之間的沖擊振動對安裝座沒有影響。

平衡桿安裝支板的結(jié)構(gòu)原理表明，上框架的設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠滿足實際使用要求，導(dǎo)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(biāo)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(biāo)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(cè)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(jié)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(chǎn)品尺寸鏈計算結(jié)果顯示，現(xiàn)場裝配可能出現(xiàn)墊圈無法安裝的問題，現(xiàn)場人員為保證安裝，直接采用強(qiáng)行用扳手掰開安裝支板，擴(kuò)大安裝間距的方法進(jìn)行組裝。導(dǎo)致安裝支板根部的焊縫原始結(jié)構(gòu)破壞，用螺栓緊固時，增加了此位置的有害內(nèi)應(yīng)力，長時間使用導(dǎo)致了開裂現(xiàn)象。

2.2 產(chǎn)品焊接質(zhì)量問題

焊縫出現(xiàn)咬邊或是焊縫未熔合，導(dǎo)致焊縫的承力性能減弱，出現(xiàn)開裂現(xiàn)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(shè)計將上框架組焊中，兩焊接支架之間的標(biāo)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(chǎn)生的應(yīng)力。

3.1.1 受力計算

上框架上安裝支板的簡單力學(xué)模型見圖1：

圖1 安裝支板簡單力學(xué)模型

裝支板上，緊固力矩20Nm。

根據(jù)公式：T=KFd，

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

計算結(jié)果顯示，安裝支板使用時受到13888N的預(yù)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(jìn)行相關(guān)力學(xué)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(guān)參數(shù)代入公式后計算得P=4176N

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

根據(jù)應(yīng)力計算公式δ=Pa/I，代入上式相關(guān)數(shù)據(jù)得到安裝支板底部受到的應(yīng)力δ=186MPa。

安裝支板采用6mm厚的7020T6板材加工而成，材料抗拉強(qiáng)度為350MPa。由于安裝支板采用焊接結(jié)構(gòu)，焊后的鋁合金材料力學(xué)性能會衰減30%～40%，衰減后的力學(xué)性能為210～245MPa≥δ=186MPa。即設(shè)計尺寸能夠滿足使用要求，且有13%～32%的設(shè)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(chǎn)品加工公差，在保證間隙配合，極限情況下會導(dǎo)致較大內(nèi)應(yīng)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(xiàn)安裝支板裝配時不受螺栓擠壓力作用，設(shè)計采用開口銷的防止脫落結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)消除了螺栓擰緊力矩產(chǎn)生的安裝支板內(nèi)應(yīng)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(qiáng)度，設(shè)計沿用原結(jié)構(gòu)，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(jù)應(yīng)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(shè)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(shè)計在該軸銷向選用的開口銷（2×18）型號。

4 結(jié)語

分析結(jié)果表明，導(dǎo)致問題的原因：結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、尺寸鏈設(shè)計不合理及現(xiàn)場管理不到位等，后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計考慮將操作人員工作簡單化，同時考慮國內(nèi)加工設(shè)備精度及員工操作設(shè)備習(xí)慣，合理設(shè)計產(chǎn)品尺寸鏈，避免產(chǎn)品出現(xiàn)類似質(zhì)量問題。