单轨车受电弓弓头托板故障分析及优化设计

谭宇文, 陈 奎, 袁 力, 汪 洋

(重庆中车四方所智能装备技术有限公司,重庆 401133,E-mail:tanyuwenocean@163.com)

跨座式单轨车受电弓[1-5]安装于车辆转向架上,并从接触网上获取电能供车辆各系统使用,是固定设备和移动能量消耗设备之间的纽带。受电弓的结构安全性影响着车辆运行的安全[6],本文基于单轨车受电弓在线路上的运行情况,对受电弓的弓头托板进行分析,解决弓头托板开裂问题。

1 结构设计

单轨车受电弓的机械结构由受电弓安装底板、升弓弹簧组件、推杆组件、下支撑杆组件、上支撑杆组件、平衡臂组件、弓头组件以及绝缘子等组成,如图1所示。

图1 受电弓示意图

对于弓头组件中的弓头托板,原方案如图2所示,由弓头托板、弓头挡板、导流柱组成。弓头托板通过支撑橡胶弹簧与弓头支撑连接,具有6个方向的自由度,具备良好的跟随性。

图2 原方案弓头托板

2 故障分析[7]

2.1 故障描述

单轨车受电弓在运行过程中,出现了弓头托板开裂问题,如图3所示。

图3 弓头托板开裂

裂纹在托板一角形成贯通式开裂,路径沿导流柱焊缝焊脚边缘,经润滑条安装板外沿,且还途经橡胶弹簧锥形螺钉安装孔,最后贯穿到托板中间的长圆孔圆弧角处。并经一段时间的运行,导致长圆孔四个圆弧角均有不同程度的开裂现象。

2.2 原因分析[8-9]

断裂弓头托板采用6 mm厚铝合金板材切割而成,铝合金为6系 6061 T6。托板两端焊接两个导流柱,材质为1系列铝合金,焊接方式为141,焊材5087,焊脚a3。

(1) 低倍宏观分析

通过线切割将断口切下,用3%(NaOH)溶液清洗断口,宏观上观察,断口表面大部分平整,能观察到明显的贝壳状花样,其花样半径较大,断裂多为疲劳断裂;瞬断区表面能观测到明显的撕裂脊,约占断口1/3左右。宏观形貌如图4所示。

图4 托板断口宏观形貌

(2) 断口及表面微观面貌

对弓头托板断口形貌进行分析,其断口表面多为韧窝,多处可见明显疲劳台阶,其断裂形式主要为疲劳断裂[10-12];其裂纹源位于导流柱焊接区与焊缝焊脚边缘的热影响区,从焊接区表面向内可以观察到明显的放射状断口,呈一定角度向内扩展[13];瞬断区表面凹凸不平,微观下观察其表面亦为浅韧窝。其断口形貌如图5、图6所示。

图5 托板焊接区断口形貌

图6 托板瞬断区断口形貌

(3) 金相分析[14]

使用3%氢氟酸腐蚀,其托板显微组织为:α固溶体+

Mg2Si,焊接材料显微组织为:铸态组织,显微组织正常。显微组织形貌如图7、图8所示。

图7 托板显微组织形貌

图8 焊材显微组织形貌

(4) 硬度检测

对弓头托板、焊材、以及热影响区进行硬度测试,其结果如表1所示,托板,焊材硬度正常,焊接热影响区硬度偏高。

表1 材料硬度测试

通过以上分析:弓头托板在使用时发生疲劳断裂,主要是焊接工艺不恰当所致。

3 结构优化与验证

为了消除焊缝对托板带来的不利影响,去掉弓头托板导流柱,优化结构如图9所示,并将导流线的安装位置移动到弓头托板的中心位置。

图9 弓头托板优化

为了验证优化结构的可靠性,对优化后的受电弓进行了冲击耐久试验[15],试验升降弓次数达3万次,无开裂现象,试验如图10所示。在冲击试验后,进行了装车运行,截止目前运行状态良好,无开裂现象。

图10 受电弓冲击耐久试验

4 结论

产品结构的合理性影响其使用的安全性。在跨座式单轨车中,受电弓在正常工作时会持续受到来自于弓网配合过程中产生的冲击振动,在设计过程中应充分考虑这种持续性冲击振动工况,采用合理的结构设计避免加工工艺带来的质量不可控影响。通过优化现有弓头托板的结构,冲击试验后,进行了装车运行,截止目前运行状态良好,无开裂现象发生,提高了运营安全性。