地铁受电弓上框架平衡杆安装支架开裂故障处理

莫文芳，李 军

（中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

1 故障描述

国内某型号受电弓进行日常检修过程中发现上框架上的平衡杆安装支板出现开裂的问题，裂纹位置在焊缝的边缘，沿焊缝整体贯穿。

2 原因分析

上框架上的平衡杆安装支板是由两块6mm厚、30 mm宽的铝合金板材焊接于上框架顶管上，使用中该位置主要悬挂着平衡杆的止挡杆组焊。

正常使用时，受电弓止挡杆组焊的作用是止挡受电弓弓头，避免弓头在上升及下降时出现翻转现象。受电弓正常集电时，碳滑板与止挡杆组焊不接触，保证受电弓弓头与网线的良好接触。

止挡杆组焊在整个结构中只承受受电弓正常升降时弓头倾斜所产生的力，该型号受电弓弓头质量约16kg，施加给平衡杆安装支板的力小于80N，此力由两个6mm的支撑板承受，目前设计采用的结构承载此力是有足够余量。受电弓运行过程中止挡杆组焊与弓头不接触，弓网之间的冲击振动对安装座没有影响。

平衡杆安装支板的结构原理表明，上框架的设计结构能够满足实际使用要求，导致问题的可能原因是：

2.1 尺寸链公差问题

上框架组焊中，两安装支板之间的标注尺寸为28mm，按照ISO13920-1996焊接未注公差，该长度尺寸的未注公差为±1；平衡杆组装中的轴承衬套的标注尺寸为26mm，采用未注公差，按照ISO2768-mK一般公差第1部分，该尺寸的未注公差范围为±0.2；两侧的垫圈长度为1mm，按照ISO2768-mK一般公差第1部分板厚1mm的钢板，允许的板厚公差是±0.1。

尺寸及公差计算结果如下：

止挡杆安装支板间的距离L=28mm：尺寸范围LMIN=27mm，LMAX=29mm

轴承衬套长度L1=26mm：尺寸范围L1MIN=25.8mm，L1MAX=26.2mm

单个垫圈厚度L2=1mm；L2MIN=0.9mm，L2MAX=1.1mm

上述尺寸安装时，最大过盈量为1.4mm；最小过盈量为0.6mm；

最小配合间隙为0.6mm；最大配合间隙为1.4mm。

产品尺寸链计算结果显示，现场装配可能出现垫圈无法安装的问题，现场人员为保证安装，直接采用强行用扳手掰开安装支板，扩大安装间距的方法进行组装。导致安装支板根部的焊缝原始结构破坏，用螺栓紧固时，增加了此位置的有害内应力，长时间使用导致了开裂现象。

2.2 产品焊接质量问题

焊缝出现咬边或是焊缝未熔合，导致焊缝的承力性能减弱，出现开裂现象。

3 解决措施

3.1 限定安装支板尺寸公差

尺寸链公差计算，轴承衬套与垫圈配合的最大尺寸为 26.2+2×1.1=28.4mm，最小尺寸为 25.8+2×0.9=27.6mm，为保证轴承安装时为间隙配合，设计将上框架组焊中，两焊接支架之间的标注尺寸由28mm变更为28.5（0；+0.5）mm。配合安装后，配合间隙最小为0.1，极限条件下的最大间隙为1.4，能够保证此位置轴承组件的安装间隙，同时避免过大安装间隙产生的应力。

3.1.1 受力计算

上框架上安装支板的简单力学模型见图1：

图1 安装支板简单力学模型

装支板上，紧固力矩20Nm。

根据公式：T=KFd，

式中，T-螺母拧紧力矩，Nm，T=20Nm；-扭矩系数（在0.15～0.2），k=0.18；F-预紧力，N；d-螺纹大径，m，d=0.008 m；F=T/Kd=13888N。

计算结果显示，安装支板使用时受到13888N的预紧力，13888N的力压装安装支板后，安装支板变形量较大，被轴承套支撑，安装支板未受到13888N的压紧力作用。采用挠度计算方式进行相关力学性能的校核。

挠度公式：c=Pa2（3b-a）/6EI

式中：P-施加压力（N）；a-力臂（mm），a=24mm；b-杆长（mm），b=30mm；c-位移量（mm），c=1.4/2=0.7mm；E-弹性模量，铝合金 E=7×104MPa；I-截面惯矩 mm4，I=Lh3/12；h-截面长度 mm，h=6mm；L-截面宽度 mm，L=30mm。

将相关参数代入公式后计算得P=4176N

计算结果显示，拧紧力矩施加的预紧力13888N力只有部分（4176N）施加在安装支板上。

根据应力计算公式δ=Pa/I，代入上式相关数据得到安装支板底部受到的应力δ=186MPa。

安装支板采用6mm厚的7020T6板材加工而成，材料抗拉强度为350MPa。由于安装支板采用焊接结构，焊后的铝合金材料力学性能会衰减30%～40%，衰减后的力学性能为210～245MPa≥δ=186MPa。即设计尺寸能够满足使用要求，且有13%～32%的设计余量，能够安全使用。

3.2 取消螺母紧固连接

计算表明，即使限定产品加工公差，在保证间隙配合，极限情况下会导致较大内应力（186MPa）。为解决问题，要避免上框架上平衡杆安装支板受到螺栓挤压力。平衡杆安装螺栓使用时受到的垂向力小于200N，纵向除受螺母拧紧力矩施加的力外几乎不受力。为实现安装支板装配时不受螺栓挤压力作用，设计采用开口销的防止脱落结构，此结构消除了螺栓拧紧力矩产生的安装支板内应力，同时可以起到螺栓紧固的作用。

3.2.1 轴销的选型计算

为保证轴销装配及使用强度，设计沿用原结构，采用不锈钢材料制造轴销。

受电弓运行时，轴销受到的力小于F=200N，此力的力臂L=180mm，根据应力计算公式δ=FL/I，

式中：I-截面惯矩 mm4，I=0.0491d4；d-截面长度 mm，d=8mm。

代入上式后，得到 δ=178.6MPa＜310MPa，有 174%左右的设计余量。

受电弓运行时，沿轴销方向几乎不受力，开口销使用时几乎不受剪切力，设计在该轴销向选用的开口销（2×18）型号。

4 结语

分析结果表明，导致问题的原因：结构设计复杂、尺寸链设计不合理及现场管理不到位等，后续产品设计考虑将操作人员工作简单化，同时考虑国内加工设备精度及员工操作设备习惯，合理设计产品尺寸链，避免产品出现类似质量问题。