制动模块总成局部断裂原因分析及改进

乔 峰， 李邦国， 胡 亮， 杨伟君

(1 中车长春轨道客车股份有限公司， 长春 130062；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081；3 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094)

随着轨道交通车辆技术的快速发展，列车运行的安全性、可靠性以及舒适度问题得到广泛关注[1]。作为车下设备，制动设备的集成度越来越高，集成度越高结构越复杂，对结构的安全性和可靠性评估提出了新的要求。为了校核结构中薄弱位置的承载以及抵抗变形的能力，需要评估其静强度[2]。在列车运行过程中结构直接承受来自轨道不平顺引起的轮轨激励，这就要求结构的动特性要满足要求，避免发生疲劳断裂。

针对某列车用制动模块总成在振动冲击试验过程中出现局部断裂问题，建立了制动模块总成的有限元模型，通过分析制动模块总成的动特性得到了结构局部断裂的原因。从调整制动模块总成刚度入手，在保证制动模块总成总质量不增加的前提下对框架进行了升级提高其抗弯刚度，完成了制动模块总成设计方案的改进。

1 制动模块总成的结构形式

制动模块总成由制动控制箱、辅助控制箱、3个风缸组件和框架组成。制动控制箱、辅助控制箱和风缸组件通过吊装螺栓安装在框架上，框架通过8个安装孔安装在车体底部，如图1所示。

图1 制动模块总成的组成

2 制动模块总成局部断裂原因分析

2.1 制动模块总成局部断裂形式

制动模块总成在试验时出现局部断裂，断裂点为制动控制箱的安装吊耳，如图2所示。

图2 吊耳的断裂形式

2.2 制动模块总成有限元模型的建立

采用壳单元(Shell181)建立整个制动模块总成的有限元模型，其中螺栓连接部分采用梁单元( Beam188)进行模拟并通过 Rigid单元进行连接，制动控箱内各部分质量通过在质心位置设置质量点模拟并通过Rigid单元进行连接。整个制动模块总成有限元模型共有866 970个单元，889 491 个节点，其中吊耳处有限元模型如图3所示。

在制动模块总成8个安装孔施加全约束，约束节点所有的自由度，如图4所示。制动模块总成各组成部分的材料特性见表1。

图3 吊耳处有限元模型

图4 约束施加

表1 各部件材料特性

2.3 断裂原因分析

传统的结构设计通常采用静强度的准则进行判定。制动模块总成在冲击振动试验中出现局部断裂说明需要从结构的动特性入手进行断裂原因分析。模态分析是常见的结构动特性分析方法之一，通过模态分析提取结构的固有频率和振型，从而对结构的刚度及振动形式进行评估。

基于制动模块总成的有限元模型进行模态分析，采用Block Lanczos模态提取方法[3]获取结构的固有频率。计算结果表明，制动模块总成的一阶固有频率为15.4 Hz，一阶振型为框架的弯曲振动，框架弯曲振动通过吊耳带动制动控制箱体的前后摆动，如图5所示。这就意味着试验时在外界激励的作用下制动控制箱体发生较大位移的前后摆动导致吊耳疲劳断裂，与图1吊耳的断裂方式吻合，因此经分析判断吊耳断裂是因为试验过程中箱体发生剧烈前后摆动所导致。

图5 制动模块总成一阶振型

3 制动模块总成的设计改进

模态分析的结果表明，制动模块总成一阶固有频率偏低，一阶振型为框架的弯曲振动，框架结构的跨度大，集成设计后整个制动模块总成的刚度偏弱，在外界激励的作用下，制动控制箱发生较大的振动导致制动控制箱安装吊耳处发生断裂。

针对发生断裂的原因，在不增加制动模块总成总质量同时保持制动模块总成中现有部件布局不变的情况下，通过改变制动模块总成框架的结构进行改进，增强框架下方板筋结构的强度，增强框架抗弯曲变形的能力，改进后的制动模块总成模型如图6所示。

图6 改进框架后的制动模块总成模型

采用与2.2节相同的单元类型对制动模块总成进行网格处理并施加约束，进行模态分析，结果表明：改进后的制动模块总成一阶固有频率为21.3 Hz，一阶振型如图7所示，为上下弯曲振动，制动模块总成的结构刚度提高。

图7 制动模块总成的一阶振型

4 设计验证

改进后的制动模块总成按IEC 61373 1类A级进行试验，首先在同一个方向进行增强随机振动量级的模拟长寿命试验，其次做冲击试验，最后做功能性随机振动试验。一个方向完成后，再在其他两个方向上进行试验。

试验结束后制动模块总成结构无裂纹或损坏，试验结果表明改进后的制动模块总成样机满足试验的要求，完成新设计方案的试验验证。

5 结 论

结构的刚度和振型对于结构的疲劳损坏有着重要的影响，在设计时需要综合考虑这些因素。通过调整结构的刚度，可以改变结构在外界激励下的振动情况，因此可以避免结构发生破坏。

轨道交通车辆存在大量的功能模块，文中的分析及改进方法对其他功能模块的结构设计具有参考意义。