單軌車(chē)受電弓弓頭托板故障分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚宇文, 陳 奎, 袁 力, 汪 洋

(重慶中車(chē)四方所智能裝備技術(shù)有限公司,重慶 401133,E-mail:tanyuwenocean@163.com)

跨座式單軌車(chē)受電弓[1-5]安裝于車(chē)輛轉(zhuǎn)向架上,并從接觸網(wǎng)上獲取電能供車(chē)輛各系統(tǒng)使用,是固定設(shè)備和移動(dòng)能量消耗設(shè)備之間的紐帶。受電弓的結(jié)構(gòu)安全性影響著車(chē)輛運(yùn)行的安全[6],本文基于單軌車(chē)受電弓在線路上的運(yùn)行情況,對(duì)受電弓的弓頭托板進(jìn)行分析,解決弓頭托板開(kāi)裂問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單軌車(chē)受電弓的機(jī)械結(jié)構(gòu)由受電弓安裝底板、升弓彈簧組件、推桿組件、下支撐桿組件、上支撐桿組件、平衡臂組件、弓頭組件以及絕緣子等組成,如圖1所示。

圖1 受電弓示意圖

對(duì)于弓頭組件中的弓頭托板,原方案如圖2所示,由弓頭托板、弓頭擋板、導(dǎo)流柱組成。弓頭托板通過(guò)支撐橡膠彈簧與弓頭支撐連接,具有6個(gè)方向的自由度,具備良好的跟隨性。

圖2 原方案弓頭托板

2 故障分析[7]

2.1 故障描述

單軌車(chē)受電弓在運(yùn)行過(guò)程中,出現(xiàn)了弓頭托板開(kāi)裂問(wèn)題,如圖3所示。

圖3 弓頭托板開(kāi)裂

裂紋在托板一角形成貫通式開(kāi)裂,路徑沿導(dǎo)流柱焊縫焊腳邊緣,經(jīng)潤(rùn)滑條安裝板外沿,且還途經(jīng)橡膠彈簧錐形螺釘安裝孔,最后貫穿到托板中間的長(zhǎng)圓孔圓弧角處。并經(jīng)一段時(shí)間的運(yùn)行,導(dǎo)致長(zhǎng)圓孔四個(gè)圓弧角均有不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象。

2.2 原因分析[8-9]

斷裂弓頭托板采用6 mm厚鋁合金板材切割而成,鋁合金為6系 6061 T6。托板兩端焊接兩個(gè)導(dǎo)流柱,材質(zhì)為1系列鋁合金,焊接方式為141,焊材5087,焊腳a3。

(1) 低倍宏觀分析

通過(guò)線切割將斷口切下,用3%(NaOH)溶液清洗斷口,宏觀上觀察,斷口表面大部分平整,能觀察到明顯的貝殼狀花樣,其花樣半徑較大,斷裂多為疲勞斷裂;瞬斷區(qū)表面能觀測(cè)到明顯的撕裂脊,約占斷口1/3左右。宏觀形貌如圖4所示。

圖4 托板斷口宏觀形貌

(2) 斷口及表面微觀面貌

對(duì)弓頭托板斷口形貌進(jìn)行分析,其斷口表面多為韌窩,多處可見(jiàn)明顯疲勞臺(tái)階,其斷裂形式主要為疲勞斷裂[10-12];其裂紋源位于導(dǎo)流柱焊接區(qū)與焊縫焊腳邊緣的熱影響區(qū),從焊接區(qū)表面向內(nèi)可以觀察到明顯的放射狀斷口,呈一定角度向內(nèi)擴(kuò)展[13];瞬斷區(qū)表面凹凸不平,微觀下觀察其表面亦為淺韌窩。其斷口形貌如圖5、圖6所示。

圖5 托板焊接區(qū)斷口形貌

圖6 托板瞬斷區(qū)斷口形貌

(3) 金相分析[14]

使用3%氫氟酸腐蝕,其托板顯微組織為:α固溶體+

Mg2Si,焊接材料顯微組織為:鑄態(tài)組織,顯微組織正常。顯微組織形貌如圖7、圖8所示。

圖7 托板顯微組織形貌

圖8 焊材顯微組織形貌

(4) 硬度檢測(cè)

對(duì)弓頭托板、焊材、以及熱影響區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試,其結(jié)果如表1所示,托板,焊材硬度正常,焊接熱影響區(qū)硬度偏高。

表1 材料硬度測(cè)試

通過(guò)以上分析:弓頭托板在使用時(shí)發(fā)生疲勞斷裂,主要是焊接工藝不恰當(dāng)所致。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

為了消除焊縫對(duì)托板帶來(lái)的不利影響,去掉弓頭托板導(dǎo)流柱,優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖9所示,并將導(dǎo)流線的安裝位置移動(dòng)到弓頭托板的中心位置。

圖9 弓頭托板優(yōu)化

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可靠性,對(duì)優(yōu)化后的受電弓進(jìn)行了沖擊耐久試驗(yàn)[15],試驗(yàn)升降弓次數(shù)達(dá)3萬(wàn)次,無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象,試驗(yàn)如圖10所示。在沖擊試驗(yàn)后,進(jìn)行了裝車(chē)運(yùn)行,截止目前運(yùn)行狀態(tài)良好,無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象。

圖10 受電弓沖擊耐久試驗(yàn)

4 結(jié)論

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性影響其使用的安全性。在跨座式單軌車(chē)中,受電弓在正常工作時(shí)會(huì)持續(xù)受到來(lái)自于弓網(wǎng)配合過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊振動(dòng),在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮這種持續(xù)性沖擊振動(dòng)工況,采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免加工工藝帶來(lái)的質(zhì)量不可控影響。通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)有弓頭托板的結(jié)構(gòu),沖擊試驗(yàn)后,進(jìn)行了裝車(chē)運(yùn)行,截止目前運(yùn)行狀態(tài)良好,無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生,提高了運(yùn)營(yíng)安全性。