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1、概述
2016年12月,南京机场线受电弓检修过程中,发现弓角托架的焊缝位置出现断裂,后期普查过程中,发现该位置焊缝位置有不同程度的裂纹,如下图1所示,目前焊缝裂纹情况发现有十余起。
图1 弓角托架断裂及焊缝裂纹
2、原因分析
受电弓弓角采用3mm或2.5mm不锈钢板材及1.5mm壁厚的管材压型后进行焊接而成,开裂的托架采用2.5mm板材压型为U型,与滑板支架焊接在一起,成为一个封闭的焊接弓角,如下图2所示。弓角与碳滑板两端相连,组成一组封闭的弓头。该焊接型式的弓角由于采用封闭结构,无法释放焊接变形产生的焊接内应力。与碳滑板连接在一起后,与弓头弹簧悬挂系统连接在一起,形成一个超静定结构,固定点过多,无法释放使用过程中弓网冲击应力,从而使该结构出现开裂问题。
图2 弓头结构型式
3、解决措施
为解决该问题,设计采用铸造铝合金结构弓角及铝合金材料加工的托架,所有零件都通过螺栓连接,取消原不锈钢材料弓角的焊接连接型式,避免焊接内应力产生,同时弓角采用开口结构,取消焊接弓角的封闭结构,避免组装过程中的连接点过多导致的超静定连接型式。
改进前后弓角零件对比:
3.1、托架改进
改进前托架
目前的托架采用2.5mm不锈钢板压型为U型结构,该材料屈服强度205MPa,结构如下图3所示。
图3 改进前托架
改进后托架
采用7020T6高强铝合金,该材料的屈服强度310MPa,为实现安装,在铝合金板上加工出与滑板支架及弓头悬挂连接的安装接口,结构如下图4所示。
图4 改进后托架结构
3.2 滑板支架
改进前滑板支架
滑板支架采用3mm不锈钢板挤压为U型结构,该材料的屈服强度为205MPa。滑板支架前端与碳滑板连接,后端与盖板焊在一起,保证其表面与滑板平滑过渡,该结构该支架上与结构如下图5所示。
图5 滑板支架
改进后滑板支架
滑板支架采用3mm不锈钢板压为U型结构,该材料的屈服强度为205MPa。滑板支架前段与碳滑板连接,后端与铸造铝合金弓角通过螺栓连接,取消盖板焊接结构,铸铝弓角表面与滑板表面能够实现平滑过渡。 结构如下图6所示。
图6 改进后滑板支架
3.3、弓角
改进前弓角组焊结构
如下图7所示,改进前弓角有滑板支架、托架、盖板及弯管四个压型件焊接而成,结构连接方式相对复杂,封闭的焊接结构容易产生较大的焊接内应力。
图7 改进前弓角 图8 改进后弓角结构
改进后弓角组装
改进后的弓角采用铸铝弓角、滑板支架及托架组成,通过螺栓将三者连接,该开口的弓角结构,采用螺栓连接,如上图8所示。消除了焊接应力,同时开口结构更加有利于释放结构的装配应力,提高结构强度。改进后装配的弓头组装结构如下图所示:
图9 改进后弓头结构示意图
4、类似弓头结构的应用
铸铝弓角在我司的杭州四号线、天津6号线及武汉6号线都有应用,其结构型式如下所示。
4.1杭州4号线弓角组装
如下图所示,该弓角滑板支架及托架都采用不锈钢压型,之后将两个零件焊接在一起组成托架组焊,如图10所示,之后将铸铝弓角采用螺栓安装于托架组焊上,杭州4号线项目于2014年年初开始上线运行,目前使用效果良好。
图9 杭州4号线弓角组装 图10托架组焊
4.2、天津6号线
天津6号线的弓角组装与杭州4号线的接口尺寸及轮廓尺寸一致,主要差异是铸铝弓角的宽度,其它尺寸完全一致。天津6号线项目于2015年开始上线运行,目前使用效果良好。
图11 天津6号线弓角组装 图12托架组焊
杭州4号线、天津6号线及南京机场线改进弓角结构对比说明如下:
序号 | 零件名称 | 南京机场线弓角 | 杭州4号线 | 天津6号线 | 备注 |
1 | 滑板支架 | 3mm不锈钢材料压为U型 | 3mm不锈钢材料压为U型 | 3mm不锈钢材料压为U型 | 天津6与杭州4结构一直 |
2 | 弓角 | 铸铝弓角 | 铸铝弓角 | 铸铝弓角 | 南京机场线与杭州4号线一致,与天津6的主要差别是弓角末端宽度为45mm,杭州4号线为27mm。 |
3 | 支架 | 7020T6铝合金材料加工 | 2.5mm不锈钢压为U型 | 2.5mm不锈钢压为U型 | 天津6与杭州4结构一直 |
4 | 弓角组装 | 螺栓连接 | 支架与滑板支架焊接,之后用螺栓与铸铝弓角组装在一起 | 支架与滑板支架焊接,之后用螺栓与铸铝弓角组装在一起 | 天津6与杭州4结构一直,机场线弓角组装完全取消焊接结构。 |
5、改进弓角结构受力分析
为更好的验证改进弓角的结构强度,我对改进弓角进行建模,仿真计算,其计算结果如下所示:
弓角组装仿真计算模型如下图所示,仿真计算是在弓角的垂向、纵向,横向同时施加力,根据以往项目测试的相关数据,垂向600N、纵向1000N,横向300N。
5.1、弓角组装
图13 弓角组装应力云图
仿真结果显示,其最大应力为71.14MPa
5.2 托架
采用7020T6铝合金材料加工,结构应力如下图所示:
图14 托架应力云图
仿真结果显示,其最大应力为56.02MPa,小于材料屈服强度310MPa。
5.3 滑板支架
采用3mm不锈钢加工,结构应力如下图所示:
图15 滑板支架应力云图
仿真结果显示,其最大应力为65.56MPa,小于材料屈服强度205MPa。
5.4铸铝弓角
采用铸造铝合金材料加工,结构应力如下图所示:
图16铸铝弓角应力云图
仿真结果显示,其最大应力为17.2MPa,小于材料屈服强度180MPa。
6、小结
目前类似结构弓角组装在杭州4号线及天津6号线上有较长时间使用,使用情况稳定。机场线弓角在该基础上有进一步改进,完全取消焊接结构,更好的提高了结构的使用稳定性,建议案该结构弓角进行改进。