绝缘盘刚度对轴端接地装置强度的影响

黄学君

(1 大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室， 湖南株洲 412001；2 中车株洲电力机车有限公司， 湖南株洲 412001)

轴端接地装置安装在轨道车辆转向架车轴端部的轴箱上，轴箱通过滚动轴承安装在车轴的两个端部，轴箱的作用是把轨道车辆轮轴沿轨道的滚动运动变换为轴箱及安装于其上的转向架构架沿轨道的平动运动。

轴端接地装置是整车接地系统的重要环节，承担了轨道车辆轮轴以上所有部件的接地工作，同时又构成了牵引电流的回路。轴端接地装置中在壳体与刷架之间夹装了绝缘盘，使得接地电流按照整车接地线、刷架、碳刷、轴端、车轮的方向流向铁轨，防止工作电流或系统故障电流以及雷电电流通过沿着轴箱、轴承外圈、滚动体、轴承内圈、车轴的路径通过轴承，以免对轴承造成电蚀损伤，为轴箱与车轴之间的滚动轴承提供了有效的保护。

1 轴端接地装置结构及工作原理

某型轴端接地装置主要结构如图1所示。M10的双头螺柱用来把绝缘盘紧固在壳体上，双头螺柱一端带螺母，不带螺母的另一端埋入壳体。M8的螺栓用来把刷架紧固在绝缘盘上，螺栓尾端不带螺母，且完全埋入刷架。

除摩擦盘直接安装在车轴端面外，轴端接地装置其他部件全部直接或间接集成于壳体，壳体通过螺栓安装在轴箱上。绝缘盘用来隔离刷架与壳体，刷架中安装了能伸缩的碳刷，碳刷与安装在车轴端面的随车轴旋转的摩擦盘直接接触，轨道车辆整车接地线直接与刷架连接，经过刷架与旋转的车轴车轮构成接地回路。端盖对轴端接地装置及车轴起防尘防水作用。绝缘盘使车辆轴箱以上部件避开轴箱直接经过车轴车轮构成接地回路，防止电流经过轴承对轴承造成电蚀。

1-壳体;2-绝缘盘;3-刷架;4-端盖;5-M10的双头螺柱;6-M8的螺栓。图1 某型轴端接地装置主要结构

2 绝缘盘刚度对螺栓连接的影响

根据文献[1]，安装于轴箱的接地装置需要按照轮轴安装方式的设备必须承受的冲击载荷校核其强度，在垂向、横向和纵向需要分别按承受±70g、±10g、±10g的超常冲击加速度校核静强度，在垂向、横向和纵向需要分别按承受±25g、±5g、±5g的疲劳冲击加速度校核疲劳强度。

轴端接地装置中绝缘盘把直接安装于轴箱的壳体与刷架隔离开了，使得整车接地电流不按轴箱、轴承外圈、滚珠、轴承内圈、车轴的路径流向铁轨，从而使轴承得到了保护。为了确保绝缘盘具有可靠的绝缘功能，绝缘盘与壳体以及绝缘盘与刷架之间需要分别用螺栓进行紧固，并需要施加足够的螺栓预紧力，防止在车辆运行过程中由于冲击载荷的作用使螺栓出现松动。绝缘盘是轴端接地装置中刚度较小的部件，在轴端接地装置整个装配体中，由于连接螺栓的紧固作用，各个部件中的应力分布会随绝缘盘的刚度变化而变化。

图2 螺栓连接工作状态时力与变形的关系

图3 平板类螺柱连接

3 绝缘盘刚度的影响因素

4 绝缘盘刚度对结构强度影响的仿真分析

根据以上分析，可以通过改变绝缘盘材料的弹性模量和绝缘盘厚度来改变绝缘盘的刚度，从而达到改变轴端接地装置中的应力分布的目的。下面分别分析绝缘盘材料弹性模量和绝缘盘厚度对轴端接地装置应力的影响。

4.1 建立轴端接地装置计算模型

采用经典Ansys平台建立如图4所示的计算模型，模型主要由端盖、刷架、绝缘盘、壳体等组成。刷架通过3个M8的A2-70螺栓安装在绝缘盘上，绝缘盘由4个M10的A4-70双头螺柱紧固在壳体上，端盖安装在刷架上。根据螺栓选型结果，对两组螺栓分别施加预紧力，其中，3个M8的A2-70螺栓每个螺栓施加的预紧力为13 100 N，4个M10的A4-70双头螺柱每个螺柱施加的预紧力为20 800 N。各个接触面分别建立接触对。采用psmesh命令对螺栓和双头螺柱建立施加预紧力的截面，采用sload命令对螺栓和双头螺柱施加预紧力。

图4 轴端接地装置计算模型

4.2 轴端接地装置材料参数

轴端接地装置各个部件材料参数见表1。

表1 轴端接地装置各个部件材料参数

4.3 计算工况及评价准则

按照文献[1]规定，轴端附属设备的超常加速度按照这样的设计值取值：垂向±70g，横向±10g，纵向±10g。参照这个标准，为简化起见，考虑最恶劣工况，计算如下典型工况：垂向70g(惯性力指向下方)、纵向10g，横向10g(惯性力远离轴端)。

同时需要对连接绝缘盘与刷架的螺栓和绝缘盘与壳体的螺柱施加预紧力。参照文献[3]，螺栓预紧力

(1)

其中M为拧紧力矩，P为螺距，d2为螺栓螺纹中径，μc为螺纹摩擦系数，μk为螺栓头部承载面积的摩擦系数，dw为螺栓头或螺母承载区域摩擦力矩的有效直径。由螺栓拧紧力矩17.3 Nm，按式(1)求得螺栓预紧力为13.1 kN,由螺柱拧紧力矩34 Nm，按式(1)求得螺柱预紧力为20.8 kN。

按照文献[4]规定的评价方法对轴端接地装置仿真计算结果进行评价。由于轴端接地装置中没有焊接件，因此按照无焊缝区材料选取安全系数进行评价。选取材料屈服强度σs进行评价时，在超常载荷工况下就选取1.0的安全系数。

4.4 绝缘盘材料弹性模量对结构应力的影响

绝缘盘材料弹性模量取值13 000 MPa，对超常冲击加速度典型工况进行静强度校核，轴端接地装置应力计算结果如图5～图10所示，绝缘盘的最大应力为63.65 MPa，小于其抗压强度120 MPa。端盖及壳体的最大应力为98.77 MPa，小于其屈服强度260 MPa。刷架最大应力为72.63 MPa，小于其屈服强度120 MPa。M8螺栓最大应力为434.139 MPa，小于螺栓屈服强度450 MPa。M10双头螺柱最大应力为370.318 MPa，小于螺柱屈服强度450 MPa，按照文献4的强度评价方法进行强度评价，满足强度要求。

为考察绝缘盘材料弹性模量的变化对结构应力的影响，绝缘盘弹性模量分别取不同值：1 280 MPa、6 000 MPa、11 000 MPa、13 000 MPa、16 000 MPa、20 000 MPa、30 000 MPa、70 000 MPa，考察绝缘盘弹性模量取不同值时轴端接地装置的应力情况。经计算得到绝缘盘弹性模量各种取值情况下轴端接地装置各个部件的最大应力如表2所示，根据表2绘制成图11所示的轴端接地装置各个部件最大应力随绝缘盘弹性模量变化的关系图。为考察各个部件材料的承载能力在绝缘盘弹性模量取不同值的情况下发挥的程度，由表2得到表3 所示的轴端接地装置各个部件材料利用率与绝缘盘弹性模量之间的关系，同时绘制图12所示的各个部件材料利用率随绝缘盘弹性模量变化的关系图。

图5 轴端接地装置应力云图

图6 绝缘盘应力云图

从表2及图11看出，当绝缘盘弹性模量小于20 000 MPa 时，端盖及壳体、刷架、M8螺栓、M10螺柱的最大应力随着绝缘盘弹性模量的增大而减小，其中M8螺栓的最大应力随绝缘盘弹性模量增大显著减小；当绝缘盘弹性模量大于20 000 MPa时，M10螺柱的最大应力又随绝缘盘弹性模量增大呈现缓慢增大趋势；当绝缘盘弹性模量小于50 000 MPa时，结构中最大应力均出现在M8螺栓，而且当绝缘盘弹性模量小于11 000 MPa时，M8螺栓的最大应力将超过450 MPa，超出了M8螺栓的屈服强度，导致M8螺栓的安全系数小于1；绝缘盘的最大应力始终随着绝缘盘弹性模量的增大而增大。

图7 端盖及壳体应力云图

图8 M8螺栓应力云图

图9 M10螺柱应力云图

图10 刷架应力云图

表2 轴端接地装置各个部件最大应力与绝缘盘弹性模量的关系 MPa

从表3及图12看出，当绝缘盘弹性模量小于11 000 MPa 时，M8螺栓的材料利用率将大于1；当绝缘盘弹性模量小于20 000 MPa时，端盖及壳体、刷架、M8螺栓、M10螺柱的材料利用率随着绝缘盘弹性模量的增大而减小，其中M8螺栓的材料利用率随绝缘盘弹性模量增大显著减小；当绝缘盘弹性模量大于20 000 MPa时，M10螺柱的材料利用率又随绝缘盘弹性模量增大缓慢增大，同时，端盖及壳体、刷架、M8螺栓的材料利用率随绝缘盘弹性模量增大缓慢减小；绝缘盘材料利用率始终随着绝缘盘弹性模量的增大呈现增大趋势。

4.5 绝缘盘厚度对结构应力的影响

图11 各个部件最大应力随绝缘盘弹性模量变化的关系

图12 各个部件材料利用率随绝缘盘弹性模量变化的关系

表3 轴端接地装置各个部件材料利用率与绝缘盘弹性模量的关系

表4 轴端接地装置各个部件最大应力与绝缘盘厚度的关系

图13 绝缘盘刚度与绝缘盘厚度之间的关系

从计算结果看出，绝缘盘厚度越大，则绝缘盘刚度越小，对轴端接地装置应力分布的影响与绝缘盘材料弹性模量越小，则绝缘盘刚度越小对轴端接地装置应力分布的影响是一致的。

5 结 论

该型轴端接地装置绝缘盘的刚度对轴端接地装置中各个部件的应力分布产生很大的影响，当绝缘盘弹性模量小于20 000 MPa时，端盖及壳体、刷架、M8螺栓、M10螺柱的最大应力随着绝缘盘弹性模量的增大而显著减小。

该型轴端接地装置中，当绝缘盘弹性模量小于11 000 MPa 时，M8螺栓的最大应力将超过450 MPa，导致M8螺栓的安全系数小于1，材料利用率大于1，因此，绝缘盘弹性模量不能小于11 000 MPa。

该型轴端接地装置中，绝缘盘厚度为10 mm时，M8螺栓的应力略小于其材料屈服强度，轴端接地装置中M8螺栓的材料利用率率先达到最大值，接近了1。因此，绝缘盘设计厚度不宜超过10 mm。

绝缘盘的应力和材料利用率都随着绝缘盘刚度增大而增大。

轴端接地装置中连接绝缘盘的螺栓和螺柱的材料利用率始终是最大的，因此，连接绝缘盘的螺栓和螺柱是轴端接地装置中的强度薄弱环节，设计中应特别关注。