內燃機車主發電機焊接風扇故障分析及改進

馬 濤,謝貴生,宗振龍

(1.中車永濟電機有限公司,陜西 西安 710016)

(2.軌道交通牽引電機山西省重點實驗室,山西 永濟 044500)

在國家大力發展電力機車的背景下,HXN3型內燃機車仍然是不可或缺的鐵路運輸機車,尤其是在電力系統失效及電力不能到達等的情況下發揮著重大作用。隨著鐵路運行速度和運輸能力的不斷提高,鐵路機車車輛的運行環境不斷惡化,而主發電機作為內燃機車的主要動力來源有著舉足輕重的作用,其能否穩定運行直接關系到鐵路機車工作的可靠性。

在對機車常規檢修時發現運行了8年左右的電機其中有些焊接風扇焊縫端部出現裂紋,若裂紋不斷擴展將導致風扇斷裂[1]從而引發電機故障,因此有必要對風扇焊縫裂紋萌生原因進行分析研究。本文依據內燃機車實際運行所受載荷對主發電機焊接風扇進行了不同工況下的應力計算及強度校核[2],判斷最大應力點是否與實際故障位置吻合,為后續確定實測應力時的應變片布點位置及疲勞試驗加載方式和載荷大小提供依據;結合仿真結果進行等效疲勞試驗,對焊接變形引起的不同初始平均應力水平下的風扇疲勞壽命進行了對比分析;最終結合仿真與試驗結果找到故障原因,同時提出了一些改進措施及建議,并進行了驗證。

1 建模與仿真

為了快速獲得故障結構的應力狀態,將通過有限元仿真分析初步確認焊接風扇結構應力大小及分布情況,查看整體受力情況及故障位置及其應力大小,評估不同類型載荷對應力大小的影響程度,為后續的試驗測試做好準備。

1.1 基本理論

有限元方法[3]將復雜的結構看作由有限個單元僅在節點處連接的整體,首先需要分析每一個單元的特性,并依據單元之間的聯系建立整體方程進行求解,得出整個結構的解;然后列出節點應力矩陣方程:

P(e)=K(e)U(e)

(1)

式中:P(e)為單元節點力向量,K(e)為單元剛度矩陣,U(e)為節點位移列向量。

通過節點位移和力的關系,在每個單元上使用節點應力矩陣方程得到整個模型的平衡方程:

(2)

σcr4={0.5[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+

(3)

式中:σ1、σ2、σ3分別為第1、第2、第3主應力,[σ]為許用應力強度。

1.2 仿真對象

主發電機焊接風扇由底板和扇葉焊接而成,再通過螺栓安裝于磁軛上,沿磁軛周向均勻布置5片扇葉,對電機進行自通風散熱,結構如圖1所示。

圖1 主發電機焊接風扇結構示意圖

1.3 有限元建模

利用有限元分析軟件ANSYS建立扇葉有限元計算模型,綜合扇葉結構的幾何形狀、受力特點以及對計算精度的要求等因素,對扇葉結構進行離散化處理,離散后有限元模型如圖2所示,共計375 433個節點,84 279個單元。

圖2 焊接風扇有限元模型

各部分材料屬性見表1。

表1 材料屬性

在圓柱坐標系下,對風扇與磁軛連接位置施加固定約束,按照風扇實際受力狀態施加轉速、風載、角加速度以及振動加速度載荷。其中風載載荷通過有限元流場分析得到,將其直接與結構場耦合[4],獲得風扇表面所受風載載荷,具體值如圖3所示。

圖3 風載載荷

1.4 仿真結果

風扇的受力及變形情況見表2,由表可知,施加單一載荷工況下的最大應力均小于各種載荷同時作用時的最大應力,最大應力值為141.53 MPa,小于材料許用應力,滿足靜強度要求。最大應力出現在焊縫端部焊趾處,與實際起裂位置一致。風扇的應力云圖如圖4所示。

綜上所述，LW16-40.5型斷路器的主要故障都是彈簧機構引起的，因此作為檢修斷路器的技術人員必須要熟練掌握斷路器的工作原理，盡快尋找出斷路器出現故障的原因，只有這樣才能及時的解決斷路器出現的問題。同時在對斷路器的檢修過程中要對設備的工作年限予以考慮，針對機器磨損情況確定合理的檢修方式，因此作為斷路器檢修人員思維一定要靈活。在工作之中積累經驗，不斷轉換工作思路，只有這樣才能準確的找到斷路器的故障所在，并及時對故障進行處理。

表2 不同工況下仿真結果

圖4 綜合載荷下風扇應力結果

2 應力測試

仿真分析結果顯示靜強度均滿足要求,為進一步探究風扇焊縫裂紋產生的原因,委托第三方檢測機構對故障風扇進行了斷口、金相組織、顯微硬度和化學成分等的分析,發現各項指標均符合設計要求,結論為疲勞斷裂。

在對風扇各項設計尺寸和工藝過程進行排查時發現,由于板材較薄,導致風扇在焊接后產生了變形[5],尤其是扇葉與磁軛的安裝接觸面平面度較差。用塞尺測量其不平度,如圖5所示,發現在安裝的同一批次中風扇安裝面不平度從0.15 mm到1.25 mm不等,不平的安裝面使安裝后的扇葉產生不同程度的應力,導致風扇在運行前產生初始平均應力[6],直接影響其疲勞壽命。為了確定該應力真實大小,對風扇安裝過程中應力的變化進行實測。

圖5 安裝面不平示意圖

2.1 測試過程

對同一批次56件風扇進行安裝面不平度測量,根據測試結果選取不同不平度等級的風扇各一件進行應力測試,結合有限元結果及實際故障位置選取靠近焊縫的平面位置進行貼片,如圖6所示。其中點1和2分別為迎風面風扇離心力和垂直于安裝面方向的測點,點3和4分別為背風面風扇離心力和垂直于安裝面方向的測點。

圖6 應力測試貼片位置布置圖

對選取的風扇進行打磨、貼片、焊線、連線、調試和安裝測試。本文使用東華DHDAS動態信號采集分析系統對應變數據進行采集及處理,采集的某一風扇在安裝過程中的應變數據如圖7所示。

圖7 風扇安裝過程中不同測點應變數據

2.2 測試結果

對采集的應變數據進行歸納、整理,得到各風扇安裝面不平度下不同測點位置的應力值,具體見表3。

表3 風扇應力值匯總

由表3可以看出,隨著風扇安裝面不平度的增加,初始平均應力逐漸增大;預緊引起的焊縫左右兩側測點2和4的應力大小基本一致;沿風扇離心力方向的測點1和3的應力明顯小于垂直于安裝面方向的測點2和4,說明安裝引起的初始平均應力主要集中在垂直安裝面方向,與故障開裂方向一致。在預緊前安裝面不平度大于0.60 mm時,風扇卸載后安裝面的不平度小于預緊前的不平度,應力水平也不能恢復到預緊前,說明風扇在安裝一次后材料已經發生塑性變形。

3 疲勞試驗

為了進一步驗證風扇安裝后產生的初始平均應力對風扇疲勞壽命的影響,在疲勞試驗機上對不同安裝面不平度的風扇進行疲勞試驗。由于試驗條件限制,不能模擬實際線路運行工況,需要結合仿真結果制定合理等效的試驗方案。

3.1 試驗方案設計

由表2可知,離心力載荷產生的應力占所有載荷產生的最大綜合應力的98.6%,說明旋轉產生的離心力載荷是導致風扇故障的最主要外部載荷。從圖8可以看出,在離心力作用下,風扇扇葉所受載荷為偏心產生的彎矩,圖中灰色模型為風扇扇葉未受力時的原始位置。

圖8 風扇變形云圖

依據風扇受力特性和仿真結果設計試驗工裝,將風扇底座通過螺栓固定在試驗臺底座上,工裝與扇葉固定,將仿真得到的試驗載荷施加在工裝上,載荷施加位置距離螺栓固定連線225 mm,加載載荷為 145.4 N,試驗彎矩為 32 715 N·mm ,該彎矩值由仿真獲得。在故障位置貼片監測其應力值是否與只受離心力載荷作用時的仿真值一致,以保證試驗的有效性。疲勞試驗具體工裝及加載方式如圖9所示。

圖9 疲勞試驗示意圖和實物圖

3.2 試驗結果

依據制定的試驗方案對不同安裝面不平度的試驗件進行疲勞試驗,每件試樣所受疲勞載荷達到200萬次[7]循環后停止試驗,試驗結束后對試驗件焊縫進行探傷檢查,具體結果見表4。

表4 風扇疲勞試驗結果

由表4可知,隨著風扇安裝面不平度的增加,超過材料屈服極限的初始平均應力對疲勞壽命的影響越大,風扇疲勞壽命越短。

4 改進及驗證

由上述仿真與試驗結果可以看出,離心力和安裝面不平是導致風扇焊縫疲勞開裂的最主要因素,因此可以從以下兩方面解決問題:1)改變風扇結構以降低離心力引起的交變應力;2)減小焊接變形量從而降低初始平均應力。

4.1 改善風扇結構

由圖9可知,扇葉的偏心是產生風扇焊縫彎曲應力的主要因素,因此可以通過調整扇葉質心位置來降低彎曲應力。在不影響風量的前提下將風扇安裝位置的離心力中心與扇葉質心之間的距離減少15 mm,具體調整方案如圖10所示。調整后風扇焊縫起裂位置的應力由原先的141.53 MPa降低到41.32 MPa,導致疲勞的交變應力大幅降低。

圖10 風扇結構調整前后對比

4.2 控制焊接變形

對表3中風扇安裝面預緊前后不平度數據進行曲線擬合,得到由焊接引起的安裝前、后的變形趨勢圖,將塑性變形擬合曲線與線彈性曲線聯立可以得到兩曲線交點,如圖11所示,該點即為安裝后風扇開始出現塑性變形的臨界點[8],由圖可知,焊接后安裝面的不平度≤0.35 mm時,可以避免風扇在安裝后出現超屈服的初始平均應力。

圖11 風扇安裝前后彈塑性變形趨勢圖

4.3 改進后驗證

為了驗證降低離心力和減小焊接變形對疲勞壽命的改善效果,進行了不同工況下的疲勞試驗,具體結果見表5。

表5 改進后風扇疲勞試驗結果

由表5可以看出,將安裝面不平度控制在0.35 mm以下或改變風扇尺寸都可以滿足風扇設計壽命要求。但是結合現場工藝條件及水平,薄壁件焊接后的變形量目前可以控制在0.50 mm以內,很難達到0.35 mm水平。綜合考慮設計及工藝等因素,返修及新造風扇將從控制變形量在0.50 mm以內及改變風扇結構兩方面進行改進。

5 結束語

本文通過仿真與試驗相結合的方法對HXN3內燃機車主發電機焊接風扇故障進行了一系列的分析計算及試驗,確定了風扇焊縫疲勞裂紋萌生的原因,即風扇在焊接過程中產生了不同程度的變形,進而在安裝后產生了不同程度的初始平均應力,變形較大風扇的初始平均應力已經超過材料的屈服極限,導致其抗疲勞性能下降,此外由于設計的原因,扇葉質心與離心力方向存在偏差,產生了較大的彎曲應力,在兩因素共同作用下導致焊縫出現裂紋。針對這兩方面原因,結合公司工藝水平制定了相應的改進方案并進行了驗證,完成了對故障的分析和處理。