地铁车辆风缸挡铁断裂故障分析

胡方阳

(南京地铁运营有限责任公司，210012，南京//工程师)

南京地铁10号线是南京首条过江地铁线路，于2014年7月开通运营。10号线列车为A型车6节编组(A-B-C=C-B-A编组)，车辆由中车南京浦镇车辆有限公司(以下简称“浦镇车辆厂”)设计生产，列车牵引系统采用法国ALSTOM方案，制动系统采用德国克诺尔EP 2002方案。

2016年以来，在例行检修时，陆续发现了多起10号线车辆制动风缸挡铁断裂故障(见图1)，该故障使正线运营存在较大的安全隐患。

1 故障分析

1.1 受力分析

断裂挡铁的材质为SUS304不锈钢，主要承受紧固螺栓的压力。其受力模型可以简化为一个超静定梁中心受螺栓集中压力作用且挡铁长期受弯矩作用下发生的屈服断裂。紧固螺栓规格为A2-70(M10)，查阅ISO 261—1998、ISO 4014—1999、ISO 4017—1999、DIN EN 20273 —1992等相关标准，通过计算可知螺栓的扭矩为34 Nm,拧紧力为20.8 kN。

a) 故障实物图1

b) 故障实物图2图1 南京地铁10号线车辆风缸挡铁断裂故障

1.2 仿真与强度校核

根据现有挡铁的相关尺寸，利用有限元分析软件Nastran建立有限元模型，并使用四面体单元进行网格划分。挡铁的约束位置为挡铁外圆弧表面(全约束)，用来模拟风缸铁箍对挡铁的固定作用；载荷加载方向为沿螺栓紧固方向，范围为螺母对垫片的接触部位(总作用力20.8 kN)，如图2所示。

图2 车辆风缸挡铁模型约束与载荷施加

弹塑性材料适用第四强度理论，即形状改变能理论，使用Von_mises应力进行强度校核。计算结果显示，挡铁最大的Von_mises应力为315.1 MPa，发生在挡铁中心空圆弧处，并与实际断裂位置吻合，如图3所示。断裂挡铁的材质为SUS304不锈钢，其屈服强度为205 MPa，抗拉强度为520 MPa。从理论计算来看，挡铁开裂位置所受应力已经超过材料屈服强度，未达到抗拉强度。由计算可知，挡铁材料的选型并不能满足实际的使用要求。

图3 断裂挡铁的受力云图

2 解决方案

计算结果表明，旧挡铁存在强度不足的问题，因此，在进行新挡铁设计时必须提高挡铁的强度。提高挡铁强度主要有两种方法：一是缩小挡铁的长度，根据挡铁的约束和受力方式，缩小挡铁长度可以使其中部所受弯矩减小，从而减小应力；二是更换挡铁材料，选用屈服强度更高的不锈钢，以提高其力学性能。

缸箍长度尺寸已经确定，缩小挡铁长度并不可行，因此只有选用屈服强度更高的材料替换现有材料。南京地铁10号线原型车是ALSTOM Metroplis系列A型车，浦镇车辆厂于2002年从法国ALSTOM引进。查阅ALSTOM设计文件，挡铁原型设计采用的是材料X20Cr13(国内牌号为2Cr13)，该材料硬度大，屈服强度为450 MPa，抗拉强度为650 MPa。10号线车辆为浦镇车辆厂在原型车基础上自主设计的车辆，车辆风缸挡铁材料使用的是304不锈钢。

经过浦镇车辆厂与南京地铁充分讨论，决定将挡铁材料更换为2Cr13，并将挡铁中部直径由原来的16 mm扩大到20 mm。由于缸箍开孔尺寸不变，为了满足安装空间，将挡铁两端与卡箍固定的位置仍切削至16 mm。另外，垫片由圆形改为方形，厚度由原来2 mm提高到5 mm，如图4和图5所示。

图4 既有车辆风缸挡铁结构(含垫片)

图5 新车辆风缸挡铁结构(含垫片)

3 新挡铁强度分析

利用有限元分析软件Nastran对新车辆风缸挡铁结构进行强度分析。新挡铁的约束和加载与既有挡铁保持一致。利用四面体单元对模型进行网格划分。模型的边界条件如图6所示。

图6 新车辆风缸挡铁边界条件

新车辆风缸挡铁应力云图如图7所示。计算结果显示，最大的Von_mises应力仍发生在挡铁中部开孔部位，数值为196.7 MPa，切削倒角位置最大应力为175.4 MPa。2Cr13不锈钢的屈服强度达到450 MPa，两个位置的安全系数分别达到2.29和2.57，静强度完全满足要求。

图7 新车辆风缸挡铁应力云图

以上计算说明，新设计挡铁结构的静强度是满足运营要求的，但它的疲劳强度是否满足材料的疲劳极限，还需进一步分析。根据标准IEC 61373—2010，此处挡铁及风缸属于Ⅰ类-B级，垂向的加速度均方根值为1 m/s2,风缸的有效冲击仅为1.1g,冲击力很小且冲击力对挡铁的作用与螺栓紧固力方向相反，因此冲击力造成的应力幅并不足以造成挡铁的疲劳破坏。故此处可以忽略动载荷对挡铁寿命产生的影响。

4 跟踪研究

经过讨论，决定将现车的新风缸挡铁全部更换为新结构挡铁，如图8所示。

新挡铁装车后，为了更好地掌握实际运营过程的使用情况，验证新挡铁强度，选取1列车进行跟踪研究。除了例行的日检项目，每4个月对挡铁进行1次探伤处理，1年后每隔6个月进行1次探伤处理。新挡铁装车至今已超过18个月，持续跟踪未发现裂纹，这证明新的设计结构能够满足运营要求。

a) 实物图1b) 实物图2

图8 新结构挡铁实物图

5 结语

风缸挡铁属于典型易于忽视的小部件，此次断裂故障引起了主机厂和业主的重视。主机厂在整车结构设计时往往对转向架构架、车体等关键部件的设计倾注大量的精力，对挡铁这类小部件往往易于忽视。另外，国内主机厂在原型车消化吸收过程中，对设计的改进应谨慎对待，要有充分的仿真计算；要对所设计或改进部件的重要性和关键点有充分的理解，经验主义设计不可取；必要时还要做相关台架试验，以验证新设计的结构能否满足运用要求。