基于地铁分线箱的疲劳强度研究

基于地铁分线箱的疲劳强度研究

马天航 ,曲长富 ,李凌

中车大连机车车辆有限公司    辽宁大连    116022

摘要:随着科技的不断发展和进步，促进相关技术的发展，在地铁日常运行管理中，运用先进的软件建立有限元模型，然后分析分线箱的静强度，才可以更好地校核分线箱承载性能。应用ANSYS软件能够计算出评估点最大应力，然后依据Miner理论和相关标准分析S-N曲线上的实际循环次数，从而求出各评估点累积损伤，这样箱体结构才可以满足疲劳强度的设计要求。

关键词：地铁分线箱；疲劳强度；研究

分线箱是地铁车辆当中重要的悬挂设备，在实际使用过程中由于受到实况线路，还有线路曲线半径和纵坡度的影响，导致地铁车辆运行状态出现异常情况，这时分线箱会承受更大的冲击和振动，箱体疲劳性能会受到巨大影响，严重的甚至会影响到行车安全。因此箱体疲劳强度分析非常重要，同时也可以提升箱体可靠性。

1分线箱发有限元静强度情况分析

1.1分线箱的基本结构介绍

分线箱是方钢和薄钢板焊接成的，并且使用螺栓将各种电气元件连接到箱体的安装板上。一般情况下箱体材料使用的是06Cr19Ni10，厚度是5.3mm和2mm，而分线箱的吊装结构重量是35Kg。运用这样的箱体和结构，比较符合实际使用要求。

1.2材料性能分析

地铁分线箱的箱体，使用的是06Cr19Ni10材料，这种材料是《机械设计手册》当中的，在实际应用过程中，应当考虑材料的参考性能，具体情况如表1，应力单位为 MPa。

表1   地铁分线箱吊装部件材料性能和参数

1.3模型的建立和约束条件分析

分线箱是非对称结构，为了更好地模拟结构受力情况，需要取整体结构状况来建立有限元模型，而箱体内的电子元件，以质量点的形式附加在箱体内，因此箱体有限元模型构成，是以任意的四节点等单元为主，这种情况与板单元相比有很大差别。在设置壳单元时，需要结合结构单元中间面的平面刚度和弯曲刚度，以及曲率效应状况，所以对计算精度要求非常高。使用shell63壳单元分析箱体和单元离散时，模型当中的单元总数是70230。箱体是通过2个螺栓安装孔，还有4个法兰端面与车体进行连接的，连接可以视为无相对位移，包括了纵向、横向、垂向等几个方面，而约束部位则是6个自由度。

1.4静强度的计算工况

在进行箱体计算时，载荷工况应当按照EN6137要求进行施加，但是考虑到箱体质量和电子元件，以及惯性力的影响下，受力情况会发生改变，因此需要结合相关铁路标准，还有实际运行状况来提取以

下5种工况来计算载荷工况。如表二

表二   实际运行下的5种工况

1.5箱体静强度的计算结果分析

根据上述边界条件和计算载荷工况，以及材料参数属性等情况，能够明确实际结构状况的有限元力学模型，然后通过对箱体有限元计算结果的分析，可以知道第4种工况条件下等效状况应力是最大的，其中最大值是20.2MPa，通常在箱体侧面的薄钢板圆孔处位置。在各种不同工况条件下，最大的等效应力值都小于屈服强度205MPa，这样才能充分满足箱体静强度的设计要求。

2分线箱的疲劳强度分析

疲劳寿命分析的方法，主要有裂纹萌生分析法，以及裂纹扩展法，还有名义应力法，其中名义应力法是应用于低应力、高周期的疲劳寿命分析。地铁车辆上悬挂的设备在实际工作中出现变形情况，基本上都是在低应力、高周期的疲劳状态下，所以才会使用名义应力法分析分线箱的疲劳强度情况。

2.1Miner疲劳累计损伤理论分析

Miner理论认为材料的疲劳损伤，主要是受循环载荷和连续作用的影响，从而产生了一个累计和叠加过程，当疲劳损失累计收到破坏时，一般情况下与加载历程没有关系，而且材料的疲劳损伤程度和应力循环次数是成正比的。如果假设材料达到了破坏状态时，某一等级应力的影响下，应力循环次数与疲劳损伤有很大关系，在同一应力水平级别下，可以分别对应n次应力循环时，这时需要注意材料的疲劳累积损伤。经过应力循环计算，可以知道破坏时的具体应力循环数。因此在实际应用过程中，需要根据具体情况进行分析，这样才能更好地满足实际需求。

2.2BS标准分析

首先，需要进行BS标准疲劳评估的基本技术和思路分析。其次，明确S-N曲线状态。S-N曲线属于双斜率曲线，所以在拐点处其对应的循环次数，为了能够全面提高计算精度，应当将低应力疲劳损伤纳入到相关计算当中，这样做的原因就是能够明确较大应力范围可以引起缺陷增长，所以需要迫使非扩展部分的应力下降，从而导致疲劳评估结果相比于实际预测结果的失效早。BS标准发展到今天，相关的理论体系已经比较成熟了，因此分析预测评估点时，只需要从BS标准当中选择相应的S-N曲线。在进行相关计算时，需要明确损伤比情况，以及待评估点的应力变化范围和发生次数。最后，是BS标准的疲劳强度分析。在对地铁分线箱的箱体分析时，疲劳强度的评估是重点内容，主要有三种疲劳载荷工况。第一种是垂向载荷。第二是横向载荷。第三是纵向载荷。约束条件是在螺栓的连接处，以及法兰端面的连接处，这两个部分属于完全约束。但是考虑到箱体是低应力、高周期振动体，所以应当选择适合的循环次数，以此作为计算参数。根据评估点的受力特点，可以确定母材和焊接接头疲劳强度与等级，然后通过ANSYS软件提取不同工况下的最大应力值，之后选取S-N曲线所对应的焊点，以及达到破坏时的循环次数，最后根据Miner理论求出各工况的疲劳损伤值。地铁分线箱体的薄弱位置，通常是在焊缝区域，还有受力比较集中的区域，还有钢板振动和位移较大的区域，所以各评估点的最大主应力，都应当小于疲劳许用值，这样各评估点的疲劳损伤才会小于1，从产品的设计方面考虑，箱体不发生疲劳失效，才比较符合箱体设计要求。为了全面提升产量质量，需要对各种因素进行全面考虑。

结束语：

借助相关软件分析地铁分线箱的疲劳强度和静强度，可以知道等效应力的最大值一般是在钢板振动最剧烈圆孔处，通过统计和分析能够明确各工况的实际等效应力都小于材料屈服强度许用值。通过分析疲劳强度可以知道，各评估点在不同的工况下，最大主应力都小于许用值，而且各点的累积损伤都较小，这种状况符合箱体的疲劳设计要求，也为箱体分析提供了可靠依据。

参考文献：

[1]胡小艳.地铁车辆单元间高低压电缆交叉设计[J].轨道交通装备与技术,20201,06:27-29.

[2]王振.统型化的端部分线箱模块设计[J].中国新技术新产品,2021,09:6-8.

[3]徐红星,鲍伟兵.对地铁列车底架布线方案的比较与分析[J].铁道技术监督,2020,07:32-36.