广州地铁4号线直线电机车辆OPG底座惯性断裂原因分析及优化 孙正士;余泽广
【摘 要】OPG base fracture inertial-broken failure problems are analyzed in this paper.According to the analysis results, related spare parts material, production technology, structure designs are put forward better retrofit scheme, practice has proved that the scheme is very good to solve the problem of OPG base inertia-broken failure, improve the safety of the vehicle running at the same time, and reduce the risk of the vehicle.%针对广州地铁4号线直线电机车辆运行过程中出现的OPG底座惯性断裂故障问题进行了分析,并根据分析结果针对零部件材质、生产工艺、结构设计等多个角度提出了合理的优化改造方案,实践证明,改造方案的实施有较好的解决惯性断裂,降低车辆运行风险的趋势. 【期刊名称】《铁道机车车辆》
【年(卷),期】2017(037)002
附近如家酒店
【总页数】5页(P112-116)
【关键词】直线电机车辆;OPG底座
【作 者】孙正士;余泽广
中国医药
【作者单位】广州地铁集团有限公司,广东广州 510710;广州地铁集团有限公司,广东广州 510710
【正文语种】中 文
云南玉溪人才招聘网【中图分类】U239.5
广州地铁4号线直线电机车辆的OPG底座作为ATC信号传感器及车轴的过渡连接设备，运行过程中起到传递车轴转速供ATC信号传感器采集的作用。该设备装配于轮对轴端，长期处于高振动水平运行环境，统计故障情况，目前该故障集中在装车运行约50万km时出现。
因OPG底座上装载着ATC速度传感器，一旦发生断裂，将使OPG速度传感脱落，造成OPG速度信号缺失或测速误差，从而导致列车进站对标时制动指令偏小、减速度不足等问题并
引起列车冲标，故障继续发展将进一步引起OPG速度检测值和雷达速度检测值出现较大误差，造成列车紧制。同时脱落部件在车辆运行时存在与轮对、第3轨以及其他轨旁设备碰撞或摩擦的风险，如故障长时间未发现将有可能引起设备掉落，严重影响车辆运行安全,见图1～图2断裂图。
OPG底座主要由主轴承座、主轴承座轴承、轴端法兰、轴端法兰轴承、卡环及锁紧部件组成，其结构如图3。
世界杯直播现场免费直播OPG底座惯性断裂故障由多方面原因引起，以故障OPG底座作为论证基础，以下从故障OPG底座的材质、制造工艺及设计可靠性分析等多方面进行断裂原因分析探究。
1.1 原OPG底座材质力学性能分析
(1)底座材质分析
原OPG底座属德国进口部件，无底座材质相关技术资料，为获得原装底座的材质，对原装OPG底座的轴承座及轴端法兰盘运用SPECTROLAB直读光谱仪进行了铝合金8元素检测，检测分析结果如表1。
虽然原轴承座和轴端法兰盘各金属元素含量有微小的差别，但考虑到各个金属元素在材料中的分散性，且两个部件中每种金属元素含量差距较小，可以断定两个产品使用的是同一牌号的铝合金材料，运用铸造工艺生产。依据DIN EN573-3标准金属成分比例判定原轴承座和轴端法兰盘的铝合金牌号为ENAW-4047A(ENAW-ALSI(A))，见表2。
(2)底座材质力学性能检测
底座安装于轮对轴端，长期处于高振动水平运行环境，因此对部件材质的机械强度要求较高，为掌握底座材质的机械性能，对原轴承座和轴端法兰盘的材料进行了力学性能检测，检测结果见表3
(3)底座材质分析小结
从上述试验分析结果看出原轴承座和轴端法兰盘的材质为ENAW-4047A，该硅铝合金具有强度和硬度低，导热性好，塑性较低，流动性好，允许高速切削等特性，但该材料及制造工艺也有以下弱点：
①机械强度较低。(轴承座上截取的测试棒实测抗拉强度只有188 MPa；轴端法兰盘上截取
的测试棒(图4)以至拉力试验夹持部位在试验开始时无法承受拉力试验机夹具的夹紧力而开裂，导致试验无法正常完成)
②韧性较差。(从图5)拉伸曲线中看出，拉伸曲线中没有出现屈服阶段及屈服点和塑性变形阶段，直接在188 MPa时试验棒发生断裂)
③拉断伸长率极低。(从试验数据来看拉断伸长率只有1%。)
从以上分析及试验可知，底座原材质机械强度低、韧性差时是引起底座断裂的一个重要原因。
1.2 原OPG底座制造工艺分析
从原OPG外形尺寸精度判断，原OPG底座采用的制造工艺为铸造工艺。铸造工艺存在生产过程中易产生沙眼等严重影响产品机械强度的缺陷。现场对底座进行表面着探伤检查(图6)及截取试块(图7)检查发现，底座存在明显的沙眼制造缺陷。
该制造缺陷直接导致底座本身力学性能降低，是发生断裂的一个重要原因。
1.3 原OPG底座结构设计可靠性分析
由于断裂故障惯性发生，因此需探究原底座结构设计是否满足车辆实际运行要求。探究过程中通过输入运行条件参数对原底座结构模型进行有限元分析确认，为使力学分析最大程度上与实际运行情况保持一致，力学分析时采用的振动加速度值通过外置加速度测试设备在实际正线运行测试中得出。
(1)OPG底座振动加速度获取
在车辆上线运行状态下，利用粘接在OPG装置上的压电式加速度传感器，采集振动信号输入到振动分析系统得出实际运行过程中的振动加速度值(见图8～图9)。
瑞典vs斯洛伐克比分在整个测试过程中，垂向加速度(绝对值)最大为685.77 m/s2，横向加速度(绝对值)最大为496.48 m/s2。
(2)原OPG底座极限承载能力与运行现状分析
以现场实测OPG底座最大值振动加速度685.77 m/s2，OPG速度传感器质量等效为一个2.4
3 kg的质量点与轴承座刚性连接作为输入条件，利用Nastran里的瞬态响应分析模块，对OPG底座进行应力分析，得到了以下结论：
计算0～0.1 s内OPG底座产品在加速度激励下所受到的动应力，OPG底座最大等效应力发生在轴承座的大轴承安装座根部，主要由弯矩和轴力共同产生，如图6所示，轴承座的最大动应力为42.9 MPa。但此应力小于材料的抗拉强度188 MPa，安全系数约为4，极限承载情况下结构设计满足运行需求。
(3) 原OPG底座额定承载能力与运行现状分析
根据BM-3000型转向架轴端设备设计技术条件，轴端设备额定工作承载的振动加速度为200 m/s2，车辆运行初期线路条件及走行部参数状态较好，根据2008年4号线走行部振动测试数据，走行部最大振动加速度在150 m/s2左右，随着运行时间的增加，轨道不平顺及车轮圆跳动发展使走行部轴端振动水平逐渐增高，根据上述2014年测得的实际加速度情况，轴端加速度记录1 min内约30 s以上加速度测量值超过200 m/s2 (见图10～图11)。原底座额定设计承载能力无法满足目前运行条件。
1.4 OPG底座惯性断裂技术分析结论
从上述分析看出，原设计承载能力与现实线路激扰状况差异较大，使得原设计结构不能适应实际运用条件，这是造成惯性断裂的主要原因。此外材质选型及工艺制造缺陷也是导致故障发生的重要因素。
根据上述原因分析，原OPG底座存在结构设计满足不了现运行条件、制造工艺缺陷、材质机械强度低的问题，为了提升OPG底座的性能，针对原底座提出以下优化方案。
2.1 优化制造工艺
将OPG底座的轴承座及轴端法兰盘工艺优化为一体加工成型工艺，有效避免原产品因铸造工艺产生砂眼而使产品机械性能降低的缺陷。2021美国签证新政策最新消息
2.2 优化材质选型
经进行采样对比试验，综合考虑材质的抗拉强度、屈服强度、伸长率等技术参数，初步选定了两种铝合金材料对底座进行优化，以达到提高OPG底座的机械性能的目的，表4为两种材料的力学性能与原材料试验数据的对比：
2.3 优化结构设计
通过优化OPG底座轴承座、轴端法兰盘的结构，在不改变与轴端设备、OPG速度传感器的接口安装尺寸的前提下，提高产品机械性能，优化方案如下：
