SS7型电力机车牵引杆座可靠性分析与改进设计.docx
- 文档编号:16317976
- 上传时间:2023-07-12
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:25.88KB
SS7型电力机车牵引杆座可靠性分析与改进设计.docx
《SS7型电力机车牵引杆座可靠性分析与改进设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《SS7型电力机车牵引杆座可靠性分析与改进设计.docx(15页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
SS7型电力机车牵引杆座可靠性分析与改进设计
SS7型电力机车牵引杆座可靠性分析与改进设计
2006年第3蝴
2006年5月10H
饥^IUf'
ELECq,RICDRIVEFORLoCOMoTIVES
研
究
开
发
l13.2(106
May10,2006
作者简介:
师建辛(1cjn5一),
男,高级工程师,从事电力
摘要:
以SS7型电力机车运』打环境,午休牵引杆座置及H体结构Jm,从川!
沦分饥机车及动车组的研究开发
车牵引杆座产生裂纹的原因,jJ改进后机午牵引忏庸进干J.了动强度测试验征验结_1』J:
fJ【车工作
车体牵引杆座在改进后能安全运行200万km
关键词:
SS7电力机车;车体;牵引朴一;动强度;可靠性
中图分类号:
U264;I1260.337文献标识码:
A文章编号:
l000.128X(2006)03002805
ReliabilityAnalysisandImprovementDesignof
TractionLinkSeatforSS7ElectricLocomotive
SHIJian-zhang
(HighSpeedResearchCenter,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410075,China)
Abstract:
Basedontherunningenvironment,layoutandstructureofthetractionlinkseat,reasonsareanalyzedtheoreticallyforthe
breakageoftheseat.Dynamicstrengthtestisdonetotheimprovedtractionlinkseat,andshowsthatthetractionlinkseatafterimprovement
couldsafelyr1.1nfor2000000km.
Keywords:
SS7electriclocomotive;carbody;tractionlinkseat;dynamicstrength;reliability
O引言
SS7型电力机车作为干线6轴4800kW客货两机
车,不仅适用于山区小曲线半径线路,而口_也适川
长大坡道干线线路在机车交付昆明机务段运用30万
km以后,先后发现多白机车车体牵引杆座产生疲劳
裂纹经2次场加强,仍有疲劳裂纹出现刘此进行
了专题攻父,从理论分析,现场测试两方而入丁,找f¨
了问题所在,提f『j了没计改进方案,确保机乍能安全
运f200万km
1牵引杆座结构及受力分析
我同昆明,南宁等区域属复杂多山地形,且小}H1
线线路,坡道较多.而3B式机车以其曲线通过性能,
轮缘磨耗性能优于2C式机车,以及能较好地适用r
小曲线线路运行而着称.SS7刊电力机车正是针
对适应这种山区小曲线线路设计的.SS7型电力机
收稿臼期;2005—11—30:
收修改稿臼期:
20060109
车采用Bo-Bo-B轴』,I_占1定车『¨胪施,f¨1线姬j过能好;
采用Z字形低f斜批朴结构牵引方]=I=,启动粘性能
好,f}{也造成牵引朴瞎受J复杂.仪承受机车
纵牵引J,兀1i目.承受机车纵阳牵引,J的横和乖直
分Jl_机车牟仆牵引"庸结构¨爪,I,II位
牵引"对】I端转…架;IlI,IVf引"对J,I
L}1问转向;V,VI位牵引忏刈心I端转Itq机
车前后两端转ruJ架啊充个1…,il的结构,住总体f为
巾心斜埘称布置.所以牟仆I,II位,V,VI化乍引H
载荷完伞=相同..f日.j:
问J寸限圳,没汁结卡句}:
稍
有差异:
II,Iil,IV,V位牵引杆鹰往j车体底架焊接部
位无空间大弧过渡,殴计基小为根部刚度突变疗
式,这对于受大载倚疲劳的牵引杆座米说,尤疑造成
非常小利的没计结构式,也是后期疲劳裂纹产牛的
根本原因牵'-3…:
卞m前后,搬,侧板,隔扳,
筋板,外筋板及铸钠牵引组成,材质均为l6Mn钢..
它ffJ在组焊后整体焊接征车体底下平面.
第3蜘帅建章:
SS,}乜力机1-{jf"摩l】J靠分j【jLIi殳
一
罟1J机牟午乖0I仟庸结构置
2牵引杆座运行状况及在段改进
SSvJr;电fJl车今引杆座最初发现裂纹的足在2000
年,昆明机务段已运行30万kml}勺机车f_,发生裂纹的.
位住V牵引仟j底架连接的部焊缝处.v牵引朴
结构和裂纹女ul皋12所乐,怀疑为焊接缺陷引起.处
理方案为先清除有裂纹的焊缝,重新施焊,并存牵引朴
v他章l十十J4}±J
座后.板1j底架连接处增炳2块20mmJ,;tJjH~筋板(形
状如2所示),以起到减小牵引杆摩根部焊缝受力的
作用配属昆明机务段的住役机伞部按此,J'案进i
了处理改造完成育州20018J,』,昆明机筹段fl,~IL
车尚未发现有裂纹象.说明此乃一案取僻r?
定设果
20018川,改造完成后的饥牟牵引"略.在,2扳
'j加强筋板结合部又ffj现r新裂纹,?
f1裂61数
最多,裂纹最严重的仍集中杞州V位牵引i.II,
IlI,IV似牵引申r博根部也f川裂现象处胛,J'浊是,
先,往裂纹两端打止裂孔,Jr坡r]将裂纹清除;然以
补焊的力法对所有裂纹进if急处;再刘.J囱机车
的lI,lI1,IV,V位牵引杵进7补曲处,[jJJ住一引杆
嚷Im后,极(10mm)J补焊厚度为12mm的加曲钏板;
同时,为进一少p配刚度,将蟓20film的筋fJ亘商
斜边打磨成R350的l员1弧,减小刚度突变至此,所有
在段饥车今再未发现疲劳裂纹¨
3理论计算分析及验证
为从理论.1真l卜分析清楚牵引杆座产十i裂纹的昧
冈.jt为新造机车改进设计提供理沦依据,分圳对SS7
型电力机车牵引¨运{受力干¨尔引仟座改进后的
结构进了有限C分析计算.根据算结果埘住段
机车牵引杆庵岫片进{线路动强度廊/J现场测试,估
算劳打命
3.1模型的建立
本分析采用吲际涵的I—DEAS分析软什
SSvJ电力机车III位牵引杆共川jT端转向;
III,IV位牵引杆共州可转向;V,VIf牵引杆
座』用于ll端转向架.I,II端2台转向!
仃完伞卡H
的结构几各自以饥车几fll』中心线斜对称,所以,I,II,V,
vl位牵引杆座虽然结构尺j稍'差片,外栽荷却完
全十}l.…司转架运行中横一…移动砒较大,昕
以.1ll,lv位牵引仟座所受戴打完伞卡H同,fl【受力远好
于其他4他牵引杆座.从牵引杆座小身的Jr来看,I,
vIf市IJl什座虽lJjIJ,v位基本村11司,们未发现裂纹为
此,本分析以v位牵引什座为建模对象
牵引ff:
整体结构组焊住车体底架下,卜而,下部
受到牵引力的摊托,因此受力情况近似悬}梁)式,
主要考祭断而为乖引什座上住保此断面的
强度f下,合理渊其他邓化的i单
划分f,牵引为铸钠什,较大,宵选用宴体单
;余均为板什,为计算准确,选川薄壳单儿牵引
什,立板选用10mm(牵引仟原设计厚度),
20mm(牵引朴场改进p度)和16mm(牵引十f座设
计改进厚度)3种方案,f!
『!
lJ●扳选J}¨0mm厚,而筋板选
20mm厚角筋板和斜边形状不同的l0mnl厚角筋
板2种'案,进比较分析,为此缱,4个模进f
筲:
:
①牵引杆前,后立板,侧板均选用10mm厚,I
平而不设角筋板;
②牵引杆座前,后市板选用10mm厚,侧板均选用
10mid厚,上平而设2块20mm厚三角筋板;
③牵引杆座前,后立板选用20mm厚,侧板均选用
10mm厚,上平面设2块20mm厚角筋板;
④牵引杆座前后立板选用16mm厚,侧板均选用
10mrfl厚,上平面设2块10mm厚角筋板(筋板斜而为
R350圆弧).
建模按照v位牵引杆座的实际J寸进{,全部采
用实体单元.整个计算模型,原结构共划分36297个节
点,128507个单元;改进结构共划分37408个节点,
131912个单元.
3.2载荷及边界条件
在正常运行速度下,机车牵引力将随速度的提高
而减小,且尤论是坡道运行还是曲线运行,机车的车
钩牵引力将是各运行速度下机车的牵引力减去各种运
行阻力的结果,如坡道阻力,曲线阻力等.对牵引杆座
的受力而言,启动牵引时的受力最大为安全起见,牵
引杆座强度计算以启动牵引力作为计算载荷.
SS7型电力机车的启动牵引力为485kN,作用在每
个牵引杆座卜的力为8O.83kN.如果动载系数为1.3,则
启动牵引'r况下牵引杆座㈨勺计算载荷为80.83×1.3
=
105.079kN.这种设计'考虑r机车在运行中下列纵向
冲击的恶劣情况:
①作用点在牵引杆座与牵引托杆连接处;
②约束为在牵引杆座与底架连接的根部IJLI删lA约
柬:
③在整个结构上表而施加全约束(『5艇带l】全部的自
由度),在牵引杆座处施加大小为106kN的力(已考虑
冲击影响),力'向与牵引角向平行.
3.3许用应力的确定
本结构使用的材质为16Mn,其屈服强度6,~=360MPa
=
28.5%,对称循环下的疲劳极限.=169.60MPa,取
安全系数n=1.6,则【6]=225MPa,【.11=106MPa
选取安伞系数n=1.6,基于如下胛…:
机车住运行
中,I{I于轨道的不平顺,车轮的扁疤以_搜转向架的蛇
运动等素,车体_I作用的载荷都应视为不对称的
交变动载荷.其安全系数心计入弯曲和扭转两方面的
影响当计算精度较高时,材料相当均匀,IZ过程质
量卡H当高时,可取【】=1.3~1.5;当实际作用载荷及强度
的试验资料不完整,实际疲劳试验结果为数不多.生
产技术水平和探伤水平L}|等时,町取【n】=1.5~2…0SS7机
车的情况基奉属.r第1种,但是针埘机车所运行线路和
出现裂纹后对在段机车牵引杆进}现场改进的n1J
题,为安全起见,取,1.6.
3.4有限元分析计算
模型1:
前后板,侧板均选川l0mm的簿先单冗.
/f筋极,其悔J:
布如3所示
模刑2:
前后寸:
极.侧板均选用10mm的薄壳单元,
设2块20mm厚筋极.其应J分布如罔4所示.
模刊3:
前,后立板选用20mm的薄壳单亡,侧板选
J}j10mm,筋板选用20mm,其心力分布如5所示.
模4:
前,后立板选用16mm的薄壳单冗,侧板选
用l0mm,筋板选用10mm,其应力分布如图6所示.
罔3模刑1心力分罔
:
E~O5LTE;;‰'嚣1.21E~O1:
品:
ii1[Ⅲ
FRER£F}P月RT
5幔J3JJ分们罔
牵引杆座最人一,力值以及约求I甲I冉I的最大力
.一一
第3师建章:
SS型电力机乍牵引杆座口I靠性分析卜了政进没计
值(}角廊)表1
表1各计算模型下牵引杆座最大应力值
;《v2o-;÷;嚣5.}:
器SET,.....
FREI]FR盯:
Pn
罔6模型4应力分罔
£..1¨o
|I
1l
4.,to
.'
l1
.日臣+.一目
".
l
Ln.17.o_to
{l
I,4雌.
3.5计算结果分析
由表1以及应力分布罔可以看m:
原设计牵引杆
座车体底架无筋板时,结构最大应力为l35.2MPa,
发牛在牵引杆座根部;牵引杆座加筋板后结构最大
力均发生在筋板与立板的下连接处:
筋板选用20mm
钢板时,其与板10mm钢板相比刚度过大,这样会在
'j立板相接尖端处产生较大的应力集中,最大力达
111MPa;筋板选用20mm钢板时,其j证板20inin钢板
相比,立板十H比刚度有较大的下降,使应力扩散,改善
鹿力分布,最大应力降低到83.4MPa;再调整改变此筋
板的形状大小至10mm,立板采用16mm钢板,优化结
合处刚度,减小应力集中,最大力降低到70.4MPa.
上述第4种情况分析町得,模型4与模剐1最大应力
十H比下降了65.4MPa,同时f:
角应力于抗弯截面的
减小,只是略有增加;从整个结构的应/,J分布来看,模
4冉了较大的改善,并减轻了结构重量,使各件强度
刚度有较为合理的匹配.
3.6牵引杆座动强度试验验证
为确保牵引杆座改造后的安全,可靠,干2002年12
l』j在昆明—威舍段对改造后的SS7机车牵引座进行
r实际线路动力测试.并根据对牵引座实际使用情
况以及结构l艺特点,载衙传递力'式的分析,确定本
次试验的动应/,J测点:
II,III,IV牵引杆座只测试改造
后的动应/『J,测点布置见降I7.
V位牵引杆博进改造前,后的比较试验,其测点
布置见图8.
{一—B|
0.一
图7Ⅱ,11,lV牵引杆座洲点布置
\\./
r
.
行车方向
罔8V牵引杆鹰洲点置
I,VI位牵引杆座在运行过程中没有m现疲劳裂纹,
未改造,牵引杆座只椰置1个测点,其位置同II位牵引
杆座的3号测点.
经过对动应力洲试结果进行数据处删,雨f十数
法统计,测点应力谱编制,等效应J幅计算得…l
杆座在不同运行单程时的损伤等效庸J10鬲,并进∥
全可靠性评估(甫于我同铁路没有卡}{成的标准,参照
《SS7D机车转向架结构动廊力测试与疲劳评估报告》,
角焊缝暂许用疲劳极限值取70MPa),结论如下:
①从动应力测试结果看,最大庸幅值H{在改
造前V位牵引座}测r_5,其值为36.7MPa;经过改造
后,该点的最大的鹿力幅值下降为21.12MPa,改造效
果明显.
②从等效应/『J幅计算结果看,V化牵引改造前,
测点3,4,5的50万km的等效力分别为76.27MPa,74.21
MPa,83.8OMPa,均大于70MPa,根据标准,不能篮全
i~fso万km;V位牵引座改造后,各测点的200万km的
等效应力幅值都小=F70MPa,能安全运行200万km,
4在段改造方案分析
经过分析认为:
按2000年的处理力'案,虽然对预防
牵引杆座与底架焊缝裂纹有一定的效粜,但于补焊
加强筋板时对筋板的大小,厚度,形状,位置等考虑不
周,造成牵引仟座立板与加强筋板焊接处刚度的不
一毫
调.牵引杆座在运动中会r}1丁能量秋聚而引起力集
中现象(经计算分析应在1llMPa以}),从而使牵
引杆的受力情况恶化.析在山现裂纹的牵引仔座也
板上,补焊厚度为12mm的补强钢板,使牵引杆立板
的刚度得到加强,一面可降低应力的绝刈似,另一
片而使其与筋板的刚度卡H匹配,从而降低心J集中的
程度.
牵引杆座是机车车体与转向架之闸传递纵力的
关键部件.…于机车的变速运动和转向架的蛇行运
动,牵引杆座所受的载简为不稳定的冲击,交变缄荷;
同时,牵引杆座在机车运行当中会发比较大的变
形.因此,其结构的破坏麻为疲劳破坏,而膻力集中是
疲劳断裂的主要因素加焊补强板后,同时也使牵引
杆肚根部的受力情况得到了改善,对于预防根部焊逢
裂纹也起到了很好的效果在骼改方案实施前制定完
善的T艺施.I方案,在实施过程中严格按1艺施一r方
案实施,严格控制焊接质量,确保改进方案准确顺利
实施
5结论
从上述v位牵引杆座计算结l粜和II,I儿,Iv,v牵引
杆座动强度试验结果可以看出,当II,III,Ivv牵引l:
}:
座在结构大小变,板r}=1l0mm改为20mm,侧板
10mm,筋板20mlTl,II,III,IV,V牵引仟座疲劳寿命有
大提高,町安全运行200万km,昆明机务段Ⅱ土未反馈牵
引杆座裂纹消息,说明最后改造方案比较成』JJ埘j:
2003年以后的新造机车牵引f1:
采用了模刊4的16mm
厚板,10mm侧板和10mm筋板,到目前为止未发现
仃裂纹.
此外,从这次裂纹处珊巾可以看Ⅲ,在结构设汁
中筋板有着较为普遍的应用.不同的场合有着水的
功用,其主要作用有:
提高构件的川度,改蓠应J分
布,传递力等;另…方还要从构件具体.I_I况米考虑,
侧重¨j=强度,刚度与稳定性哪一.1可,或是多方ffr『,这
样在结构计中,合理地使用好筋板,优化结构.在
第1次改进的基础,埘现役机车牵引杆座所作的第2
次改进是合删的.
另外,从牵引座根部角焊缝焊接T艺角度分析,
焊缝焊接质量埘乖引座疲劳寿命也有很大影响,焊接
缺陷如焊趾和焊根的缺II效应(焊缝母材熔合区微
气孔,灾漓,术焊透等焊趾微观缺几)熔合区『人j捌料
的/f均匀性共存,陔材料I41焊接材料__j熔化及未熔化
的母材组成,焊后陔区1人】温度急剧下降,因而町能产
}i微小的L4L,火,未焊透及咬边,这些虽算严晕
的焊接缺陷,ff1在卣较火缺u应力时却能加速裂纹的
萌'扩腱过程.裂纹一般指因材料平面分离而形成
的带有尖锐顶端的面缝隙.裂纹可H;现于焊接过程,
焊后热处理及焊后机械JJ口l.裂纹将大大降低构件的
疲劳强度,特别是『,承受横向载荷I时更是如此.IDI此,
机车车体牵引座裂纹的产生除j牵引座根部受力大小
和应力幅有关外,另?
个蓖影响因数足焊接焊缝的
焊接质挝.因此加愠焊接质量控制消除焊接缺陷是另
个攻课题,只有这样能解释为何6K机车牵引座
与SSv电力机车车仆牵引杆座结构相同.而SS7机车牵
引座会产裂纹的原因..
参考文献:
【lJ徐.疲劳强度没汁【MJ.北京:
机做1.,I出版礼,l981.
I2]你濑.宣系数干u'『+{心力rM].北.it:
机械I,II{【版朴,
l98l
l3J徐.坡强J.MJ.』七:
1等教育}}J版补,l988.
f41像机触度的LJJ靠一嫂汁『M1.北j:
机械,Ikit;版}I,
l984.
[5Jl镇f州她劳Jtt统汁学[M].r1匕京:
防,IJb2~l:
l986.
『61.Ff纠.疲劳失效分析【M【_1匕小:
}J1.诫l:
I出版社+l987.
【7]D达fJt接结构坡劳强fM.J匕柬:
机械l_,Im板计,
l994.
f8J』匕交通人学,SS713机转向架结构动力测j疲劳i>FfA"
报{JRjj匕:
北,J'交通人:
2000.
f91北力建通人.ss,电J机4-皆)I胯动心J_J【验撒1fRj.
北j:
此立通大学.2003.
(上接第18页)已应用剑电J机车多利?
变流控制器
刑号的丌发过程巾,有效地缩短了控制器的研发期,
带来了显着的经济效益和}十全效益.
参考文献:
[1J丁荣军,往武呜叫象限流器输人电的汁贷'fJ]一机1
~txf#动.1998(4):
24—26.
12j劭公优,挛浩.lJu象限变流器系统JJ【_铁进,19835
【3):
1—15.
[3J曲济荣I}Il』J带引交流f'动0删fM1.北j:
:
机械…
版}l998.
[4]r挺}f.人J力率叫象限变流做机实时控iJ1.机
I}f传动,l999(S1)2225.
I5JMazaheriM+ScainiV,VeerkampWECause,effects,andmitigation
ofripplefromrectifiers【JlIEEETransactionsonIndustry
Applications,2003,39(4):
Il87-Il92.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- SS7 电力机车 牵引 可靠性分析 改进 设计