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    制動(dòng)模塊總成局部斷裂原因分析及改進(jìn)

    2019-09-10 08:38:36李邦國(guó)楊偉君
    鐵道機(jī)車車輛 2019年4期
    關(guān)鍵詞:控制箱吊耳框架

    喬 峰, 李邦國(guó), 胡 亮, 楊偉君

    (1 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司, 長(zhǎng)春 130062;2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所, 北京 100081;3 北京縱橫機(jī)電科技有限公司, 北京 100094)

    隨著軌道交通車輛技術(shù)的快速發(fā)展,列車運(yùn)行的安全性、可靠性以及舒適度問(wèn)題得到廣泛關(guān)注[1]。作為車下設(shè)備,制動(dòng)設(shè)備的集成度越來(lái)越高,集成度越高結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性評(píng)估提出了新的要求。為了校核結(jié)構(gòu)中薄弱位置的承載以及抵抗變形的能力,需要評(píng)估其靜強(qiáng)度[2]。在列車運(yùn)行過(guò)程中結(jié)構(gòu)直接承受來(lái)自軌道不平順引起的輪軌激勵(lì),這就要求結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性要滿足要求,避免發(fā)生疲勞斷裂。

    針對(duì)某列車用制動(dòng)模塊總成在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)局部斷裂問(wèn)題,建立了制動(dòng)模塊總成的有限元模型,通過(guò)分析制動(dòng)模塊總成的動(dòng)特性得到了結(jié)構(gòu)局部斷裂的原因。從調(diào)整制動(dòng)模塊總成剛度入手,在保證制動(dòng)模塊總成總質(zhì)量不增加的前提下對(duì)框架進(jìn)行了升級(jí)提高其抗彎剛度,完成了制動(dòng)模塊總成設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)。

    1 制動(dòng)模塊總成的結(jié)構(gòu)形式

    制動(dòng)模塊總成由制動(dòng)控制箱、輔助控制箱、3個(gè)風(fēng)缸組件和框架組成。制動(dòng)控制箱、輔助控制箱和風(fēng)缸組件通過(guò)吊裝螺栓安裝在框架上,框架通過(guò)8個(gè)安裝孔安裝在車體底部,如圖1所示。

    圖1 制動(dòng)模塊總成的組成

    2 制動(dòng)模塊總成局部斷裂原因分析

    2.1 制動(dòng)模塊總成局部斷裂形式

    制動(dòng)模塊總成在試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)局部斷裂,斷裂點(diǎn)為制動(dòng)控制箱的安裝吊耳,如圖2所示。

    圖2 吊耳的斷裂形式

    2.2 制動(dòng)模塊總成有限元模型的建立

    采用殼單元(Shell181)建立整個(gè)制動(dòng)模塊總成的有限元模型,其中螺栓連接部分采用梁?jiǎn)卧? Beam188)進(jìn)行模擬并通過(guò) Rigid單元進(jìn)行連接,制動(dòng)控箱內(nèi)各部分質(zhì)量通過(guò)在質(zhì)心位置設(shè)置質(zhì)量點(diǎn)模擬并通過(guò)Rigid單元進(jìn)行連接。整個(gè)制動(dòng)模塊總成有限元模型共有866 970個(gè)單元,889 491 個(gè)節(jié)點(diǎn),其中吊耳處有限元模型如圖3所示。

    在制動(dòng)模塊總成8個(gè)安裝孔施加全約束,約束節(jié)點(diǎn)所有的自由度,如圖4所示。制動(dòng)模塊總成各組成部分的材料特性見(jiàn)表1。

    圖3 吊耳處有限元模型

    圖4 約束施加

    表1 各部件材料特性

    2.3 斷裂原因分析

    傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用靜強(qiáng)度的準(zhǔn)則進(jìn)行判定。制動(dòng)模塊總成在沖擊振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)局部斷裂說(shuō)明需要從結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性入手進(jìn)行斷裂原因分析。模態(tài)分析是常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)動(dòng)特性分析方法之一,通過(guò)模態(tài)分析提取結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,從而對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度及振動(dòng)形式進(jìn)行評(píng)估。

    基于制動(dòng)模塊總成的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析,采用Block Lanczos模態(tài)提取方法[3]獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率。計(jì)算結(jié)果表明,制動(dòng)模塊總成的一階固有頻率為15.4 Hz,一階振型為框架的彎曲振動(dòng),框架彎曲振動(dòng)通過(guò)吊耳帶動(dòng)制動(dòng)控制箱體的前后擺動(dòng),如圖5所示。這就意味著試驗(yàn)時(shí)在外界激勵(lì)的作用下制動(dòng)控制箱體發(fā)生較大位移的前后擺動(dòng)導(dǎo)致吊耳疲勞斷裂,與圖1吊耳的斷裂方式吻合,因此經(jīng)分析判斷吊耳斷裂是因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中箱體發(fā)生劇烈前后擺動(dòng)所導(dǎo)致。

    圖5 制動(dòng)模塊總成一階振型

    3 制動(dòng)模塊總成的設(shè)計(jì)改進(jìn)

    模態(tài)分析的結(jié)果表明,制動(dòng)模塊總成一階固有頻率偏低,一階振型為框架的彎曲振動(dòng),框架結(jié)構(gòu)的跨度大,集成設(shè)計(jì)后整個(gè)制動(dòng)模塊總成的剛度偏弱,在外界激勵(lì)的作用下,制動(dòng)控制箱發(fā)生較大的振動(dòng)導(dǎo)致制動(dòng)控制箱安裝吊耳處發(fā)生斷裂。

    針對(duì)發(fā)生斷裂的原因,在不增加制動(dòng)模塊總成總質(zhì)量同時(shí)保持制動(dòng)模塊總成中現(xiàn)有部件布局不變的情況下,通過(guò)改變制動(dòng)模塊總成框架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),增強(qiáng)框架下方板筋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,增強(qiáng)框架抗彎曲變形的能力,改進(jìn)后的制動(dòng)模塊總成模型如圖6所示。

    圖6 改進(jìn)框架后的制動(dòng)模塊總成模型

    采用與2.2節(jié)相同的單元類型對(duì)制動(dòng)模塊總成進(jìn)行網(wǎng)格處理并施加約束,進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)果表明:改進(jìn)后的制動(dòng)模塊總成一階固有頻率為21.3 Hz,一階振型如圖7所示,為上下彎曲振動(dòng),制動(dòng)模塊總成的結(jié)構(gòu)剛度提高。

    圖7 制動(dòng)模塊總成的一階振型

    4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

    改進(jìn)后的制動(dòng)模塊總成按IEC 61373 1類A級(jí)進(jìn)行試驗(yàn),首先在同一個(gè)方向進(jìn)行增強(qiáng)隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)的模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn),其次做沖擊試驗(yàn),最后做功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。一個(gè)方向完成后,再在其他兩個(gè)方向上進(jìn)行試驗(yàn)。

    試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)模塊總成結(jié)構(gòu)無(wú)裂紋或損壞,試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的制動(dòng)模塊總成樣機(jī)滿足試驗(yàn)的要求,完成新設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)驗(yàn)證。

    5 結(jié) 論

    結(jié)構(gòu)的剛度和振型對(duì)于結(jié)構(gòu)的疲勞損壞有著重要的影響,在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮這些因素。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度,可以改變結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)下的振動(dòng)情況,因此可以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

    軌道交通車輛存在大量的功能模塊,文中的分析及改進(jìn)方法對(duì)其他功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。

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