深圳地铁2号线一系安全吊改进设计

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摘 要：介绍了深圳地铁2号线一系安全吊发生裂纹的原因分析及设计改进。

关键词：一系安全吊；裂纹；原因分析；设计改进

深圳地铁2号线车辆于2010年先后投入运营，在2013年12月对车辆进行检修过程中发现部分转向架一系安全吊存在贯穿性裂纹。长客股份通过对材料的化学成分分析、线路测试、有限元分析等方法确定了裂纹产生的原因，并对一系安全吊进行了结构优化。

1 一系安全吊结构

深圳地铁2号线一系安全吊由钢板机加而成，钢板材质为符合EN10025标准的S355J2C+N，厚度为15mm，该起吊板与轴箱之间采用8.8级M12x90螺栓和8级防松螺母进行连接的，紧固力矩为80Nm。裂纹位置为安全吊的螺栓安装孔处，见图1。

2 原因分析

2.1 材质分析

（1）宏观检查。安全吊的断裂位置均发生在安全吊下端部的一个螺栓孔处。经检查，断裂安全吊的断口形貌均呈现双向弯曲疲劳断口特征。

（2）化学成分分析。在断裂起吊板上截取材质分析样品，起吊板的材质化学成分分析符合EN10025-2-2004标准中355J2 C+N钢的要求。

（3）金相检测。金相检测断裂起吊板在断裂位置的截面区既无材料冶金缺陷，也无加工缺陷，断裂起吊板的基体金相组织为正火组织，略呈带状分布。

（4）材质分析结果。起吊板材质符合标准要求，且无材料冶金缺陷和加工缺陷，开裂的断口表面有疲劳贝壳弧线，说明该件属于疲劳断裂。

2.2 线路测试分析

（1）安全吊模态分析。对安全吊进行了有限元模态计算，安全吊一阶固有频率为371Hz，振型为横向弯曲。线路测试前，对安全吊进行了模态测试，一阶固有频率为346Hz，测试结果与计算结果相似。

（2）振动加速度的数据分析。根据全程线路测试的试验数据分析，轴箱加速度没有存在特别大的区间，而安全吊横向加速度在部分区间如赤湾-蛇口、蛇口-海上世界两个区间异常，幅值达到-300g―+400g，正常线路为-150g―150g，初步推测该这两个区段部分线路存在波浪型磨耗，车辆通过时，轴箱加速度频域与安全吊固有频率产生共振所致。

根据车辆运行速度可推算线路波浪形磨耗波长为0.0565m左右，与工程实际经验值相符，因此可认定线路存在波浪形磨耗。

（3）波磨线路的数据分析。截取波磨区段（蛇口-海上世界）的数据进行FFT变换，对数据进行STFT变换，均在300Hz左右频率，与安全吊发生共振。时域、频域传递关系分析结果显示，轴箱垂向加速度传递至安全吊，无放大现象；轴箱横向加速度传递至安全吊，将其放大数倍；波磨线路上波磨频率与安全吊一阶模态发生共振，导致结构产生疲劳破坏。

（4）安全吊动应力频率成分分析。安全吊动应力的主要能量集中于一阶固有频率附近。安全吊的绝大部分能量集中于300-350Hz之间，该频带不随运营速度的变化而变化。为分析各个能量所占比重，将动应力320-360Hz带通滤波。滤波后幅值下降不明显，说明该频带能量较高，是造成安全吊疲劳损伤的主要原因。

（5）安全吊疲劳寿命评估。对深圳地铁2号线往返测试数据进行安全寿命评估，安全吊使用寿命评估结果显示，安全吊最低寿命约为40万公里，最低寿命出现在安全吊的螺栓安装孔处（即安全吊断裂位置）。

对于寿命最低的测点，如果去除波磨区段动应力的影响，则其寿命为：1755752199个往返，为无限寿命。

（6）线路测试分析结果。通过对试验数据的分析，确定全吊断裂的主要原因是波磨频率与安全吊一阶模态发生共振，振动被放大多倍，导致安全吊应力偏大，发生疲劳断裂。

3 改进方案

由于一系安全吊的断裂主因为安全吊一阶模态与波磨线路的波磨频率发生共振，因此需要进行以下两方面的改进：

（1）对波磨线路进行打磨，消除波磨频率的影响；

（2）提高安全吊的一阶固有频率，避开线路的波磨频率。

为了增加安全吊的一阶固有频率，通过对安全吊与轴箱的连接部位（即出现裂纹的部位）进行结构优化，增加连接部位的厚度，从而有效提高安全吊的一阶固有频率。改进后的结构见图2，其一阶固有频率为485Hz，振型仍为横向弯曲。

因此，改进后的一系安全吊有效避开了线路的波磨频率，能够解决由于共振引起的断裂问题。

参考文献：

[1]深圳地铁蛇口安全吊线试验测试报告[R].西南交大，2014（06）.