任志剛

（北京市地鐵運(yùn)營(yíng)二分公司，北京 100043）

排障器作為軌道列車的主要部件，承擔(dān)清除軌道內(nèi)障礙物的任務(wù)。在車輛行駛過程中，軌道上的任何障礙物均可能損傷列車，甚至導(dǎo)致列車脫軌，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，地鐵車輛上須設(shè)置排除障礙物的裝置——排障器。按照安裝位置不同，可將其分為車體排障器和轉(zhuǎn)向架排障器。車體排障器安裝于列車前端下方，而轉(zhuǎn)向架排障器安裝于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端部。北京地鐵1號(hào)線DKZ4型車輛排障器類型為轉(zhuǎn)向架排障器。由車輛運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)向架振動(dòng)導(dǎo)致排障器共振是排障器疲勞破壞的主要原因，影響車輛的運(yùn)行安全[1]。DKZ4型車對(duì)原有形式的排障器已進(jìn)行過一次優(yōu)化改造，改變其結(jié)構(gòu)形式為目前更加簡(jiǎn)單的單邊式排障器。但是，在實(shí)際運(yùn)用中排障器仍然會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋，且集中出現(xiàn)在彎管與支架座處焊縫處。為了減少因排障器疲勞引發(fā)的故障，有必要對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)疲勞分析，查找產(chǎn)生裂紋的原因并進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

1 排障器結(jié)構(gòu)介紹

DKZ4型車排障器是單邊式結(jié)構(gòu)。排障器整體通過4條螺栓緊固在構(gòu)架側(cè)梁端部，由支架座、彎管及排障器座組成。彎管與支架座、排障器座通過焊縫連接，為板筋焊接結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2 排障器疲勞壽命分析

2.1 排障器振動(dòng)加速度功率譜

依據(jù)《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》（GB/T 21563—2018）要求[2]，排障器安裝在轉(zhuǎn)向架上，隨機(jī)振動(dòng)輸入功率譜為2類轉(zhuǎn)向架安裝加速度頻譜密度（Acceleration Spectral Density，ASD）譜[3-4]，如圖2所示。

圖1 排障器

2.2 載荷和計(jì)算工況

現(xiàn)有排障器質(zhì)量約12.5 kg。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)質(zhì)量不超過100 kg時(shí)，f1取5 Hz，f2取250 Hz。經(jīng)過計(jì)算，排障器在不同頻率下對(duì)應(yīng)的ASD譜值如表1所示。

計(jì)算工況為垂向、橫向、縱向功率譜單獨(dú)加載，振動(dòng)載荷輸入位置為構(gòu)架端部，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均為失效時(shí)間大于18 000 s，如表2所示。

2.3 仿真結(jié)果

對(duì)現(xiàn)有排障器結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行仿真分析，分為垂向、橫向和縱向進(jìn)行加載[5]，結(jié)果如表3所示。最薄弱位置為彎管與支架座處焊縫，具體見圖3、圖4和圖5。

圖2 排障器振動(dòng)加速度功率譜

表1 ASD譜值隨頻率分布情況

表2 載荷施加工況及標(biāo)準(zhǔn)

表3 仿真結(jié)果（原型）

圖3 垂向加載

從仿真結(jié)果可以看出，排障器整體的抗垂向和縱向振動(dòng)能力較強(qiáng)，但抗橫向振動(dòng)能力較差，最小失效時(shí)間僅為11 421 s，未能滿足GB/T 21563—2018標(biāo)準(zhǔn)中加速振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間不得低于5 h即18 000 s的要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖4 橫向加載

圖5 縱向加載

2.4 疲勞分析

當(dāng)排障器整體承受橫向振動(dòng)載荷時(shí)，支架座下方彎管與排障器座形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。由于車輛在運(yùn)行過程中橫向擺動(dòng)較為頻繁，尤其是小幅度的橫向擺動(dòng)。車體和轉(zhuǎn)向架之間是力的互相傳遞或相互隨動(dòng)的關(guān)系，不論是車體還是轉(zhuǎn)向架在產(chǎn)生橫向力時(shí)，都會(huì)造成此處懸臂梁結(jié)構(gòu)的橫向擺動(dòng)。因此，通過受力分析，A點(diǎn)焊縫處反復(fù)承受著拉伸力和擠壓力作用，最終造成出現(xiàn)上述環(huán)形焊縫處開裂的現(xiàn)象，見圖6。

2.5 優(yōu)化改進(jìn)

對(duì)現(xiàn)有排障器結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，采取筋板加固方式，通過提高現(xiàn)有排障器局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性進(jìn)行優(yōu)化，如圖7所示。

圖6 橫向振動(dòng)受力分析

對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的排障器進(jìn)行建模仿真分析，分為垂向、橫向和縱向進(jìn)行加載，結(jié)果如表4所示。最薄弱位置為彎管與支架座處焊縫，具體見圖8、圖9和圖10。

表4 仿真結(jié)果（優(yōu)化后）

圖8 優(yōu)化后垂向載荷

圖9 優(yōu)化后橫向載荷

圖10 優(yōu)化后縱向載荷

排障器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后在彎管上加焊如圖7所示的筋板后，彎管與支架座處焊縫最小失效時(shí)間為49 185 s。和原型相比較，最小失效時(shí)間提升了4.3倍。排障器增加筋板后能夠有效抑制懸臂彎管的橫向振動(dòng)位移，顯著降低了A點(diǎn)焊縫處所承受的橫向拉伸力和擠壓力。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)要求筋板與彎管焊縫過渡處要確保為圓滑過渡，以有效降低應(yīng)力集中造成的二次衍生問題，最大程度降低不利因素的影響，見圖11和圖12。

圖11 筋板上部與彎管焊縫過渡

圖12 筋板下部與彎管焊縫過渡

2.6 實(shí)際車輛運(yùn)行驗(yàn)證結(jié)果

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的排障器已安裝運(yùn)行超過一年的時(shí)間，累計(jì)運(yùn)行超過2.5 106km，期間進(jìn)行過3次專項(xiàng)探傷檢查，且車輛進(jìn)入修程后對(duì)該部位進(jìn)行重點(diǎn)探傷檢查，均未有裂紋現(xiàn)象?？梢姡瑑?yōu)化后的排障器消除了之前存在的應(yīng)力集中問題，有效提高了車輛排障器的可靠性。

3 結(jié)語

通過對(duì)現(xiàn)有排障器結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算分析，可準(zhǔn)確找出應(yīng)力集中點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化增加筋板。經(jīng)過建模仿真驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可有效抑制懸臂彎管的橫向振動(dòng)位移，無明顯應(yīng)力集中點(diǎn)，大幅提升了排障器的抗橫向振動(dòng)能力，可滿足疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)要求。后經(jīng)車輛實(shí)際正線運(yùn)行驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的排障器整體性能良好，探傷檢查未再發(fā)現(xiàn)裂紋跡象。振動(dòng)疲勞壽命計(jì)算方法可以對(duì)車輛排障器進(jìn)行相應(yīng)的受力分析和壽命評(píng)估，能夠準(zhǔn)確判斷疲勞薄弱位置，可為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)有效的指導(dǎo)。