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摘要：广州地铁直线电机三相电缆连接线在运行过程中多次出现熔断问题， 为研究熔断是否由电缆未夹紧而引起， 采用有限元分 析以及交叉对比分析的方法， 分别对三相电缆结构是否夹紧以及是否加电缆绑定两种因素进行交叉组合， 在 ANSYS 软件中对线夹 夹紧且电缆绑定加固、线夹夹紧且电缆未绑定加固、线夹未夹紧且电缆绑定加固、线夹未夹紧且电缆未绑定加固 4 种直线电机三 相电缆连接线处结构进行应力以及疲劳寿命分析。结果表明： 三相电缆在线夹未夹紧且电缆未绑定加固时应力最大， 疲劳寿命最 小。最终得出故障原因与电缆未夹紧有关， 且线缆结构在增加绑固后能有效降低集中应力， 进而降低故障概率。通过研究分析得 出了三相电缆线熔断故障原因以及后续的改善优化措施， 为维保作业提供有效建议。
关键词：直线电机,有限元分析,应力云图
Finite Element Analysis and Improvement of Three-phase Cable Connecting Line
Fault of Guangzhou Metro Linear Induction Traction Motor
Yuan Hang， Jiang Zengming， Wu Junhong， Liang Zhongwen， Tan Shoujie
(Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510710. China)
Abstract: There is the problem that the three-phase cable connecting line of Guangzhou metro linear motor has been fused for many times during operation, in order to study whether the fuse is caused by unclamped cable, the finite element analysis and cross comparative analysis methods are used to cross-combine the two factors of whether the three-phase cable structure is clamped and whether the cable is bound, and the clamp is clamped and the cable is bound and reinforced, the stress and fatigue life of the structure at the connecting line of the three-phase
cable of the linear motor are analyzed for four types of structures in the ANSYS software, such as the clamp is clamped and the cable is not bound and reinforced, the clamp is not clamped and the cable is not bound and reinforced. The results show that the three-phase cable has the maximum stress and the minimum fatigue life when the clamp is not clamped and the cable is not bound and reinforced . Finally, it is conclude that the cause of the failure is related to the unclamping of the cable, and the concentrated stress can be effectively reduced after the cable structure adding the binding, thus the failure probability can be reduced. Through research and analysis, the cause of three-phase cable fuse fault and subsequent improvement and optimization measures are obtained, which provides effective suggestions for subsequent maintenance work . Key words: linear motor; finite element analysis; stress nephogram
引言
直线电机轮轨交通系统具有爬坡能力强、转弯半径 小、横断面小、曲线通过性能好等优点， 特别适合大中 城市中等运量轨道交通[1-2]。直线电机轮轨车辆最大程度 利用了直线电机的直驱特点， 整体是一个较为经济和实 用的方案[3]。日本、加拿大最先对直线电机车辆进行了 研究制造[4-5]， 其中加拿大主要研究生产地上直线电机车 辆， 日本则主要研究地下直线电机轨道交通， 国内北京 地铁机场线和广州地铁 4 、5 、6 号线均采用的短初级直 线感应电机[6-7]。其中， 北京地铁直线电机为强迫风冷结 构， 广州直线电机为自然风冷结构。
直线电机车辆优势突出， 但也有很多问题和缺点需 要解决和改进， 目前研究方向主要为轮轨关系[8-9]、车辆动力学[10] 以及电机故障研究方面。
2021 年以来， 广州地铁直线电机三相电缆连接线在 运行过程中多次出现熔断问题。据统计， 2017 年以来， 已出现 12 起三相电缆故障， 其中 2021 至今已出现 6 起。 对三相电缆故障电机进行检查， 发现故障电机均存在电 缆未夹紧的现象。未夹紧三相电缆在剧烈的振动状况下， 线芯可能逐步发生疲劳损伤和局部发热， 造成接触电阻 继续增大， 进而引发熔断。
本文基于现有理论研究以及实际经验， 提出通过交 叉组合以及有限元分析， 对比研究不同组合下的应力集 中以及疲劳寿命， 以分析具体故障原因以及验证线缆结 构增加绑固后改善效果。研究结果对解决直线电机三相 线缆故障现象以及改善具有一定的积极意义。
1 有限元分析理论方法
1.1 有限元软件介绍
ANSYS 是一款计算机辅助工程软件， 其应用涵盖计 算流体力学、电磁学、结构力学、热力学和声学等领 域[11] 。Workbench 是一个整合了 ANSYS 各种现有计算模 块的集成框架， 提供了从数值分析建模开始到后处理等 所有环节的统一环境， 将仿真分析的各个步骤综合在一 起， 利用该平台可以根据应用建立各种不同的分析系 统[11] 。Workbench 操作简单、方便、耦合功能强大， 其 基本分析流程包括选择分析系统、定义工程数据、建立 模型、模型前处理、数值求解、仿真后处理。用于高周 疲劳的应力疲劳理论为 ANSYS Workbench 仿真机械结构 提供了理论基础， 内置 Fatigue Tool 疲劳分析模块是求解 机械结构疲劳的重要工具。设计研究零件的预期疲劳程 度， 通过有限元方式对零件进行疲劳分析有重要意义[12]。
1.2 疲劳分析理论介绍
疲劳破坏是指当结构或材料受到交变载荷重复作用 后， 应力值虽不超过材料的强度极限， 但是材料或结构 破坏的现象。当载荷作用在机械结构上重复循环次数很 高时， 机械结构就会处在高周疲劳状态下， 机械结构常 会发生疲劳破坏 [13- 14]。
Miner 理论认为结构每次受到交变应力循环都将损 伤失去一部分使用寿命， 其中 n 次循环造成的损伤为：
式中： D为累积损伤疲劳寿命因子， 当 D<1 时， 说明结 构在线路冲击振动压力下不会产生疲劳， 且 D越小， 电 缆结构的剩余疲劳寿命越多; 当 D≥1 时， 说明三相电缆 结构疲劳寿命强度不够， 将发生疲劳损坏[15]。
为研究三相电缆故障是否由线夹未夹紧所致， 拟 通过采用交叉对比分析的方法， 分别对是否夹紧以及 是否加电缆绑定两种因素进行交叉组合， 对线夹夹紧 且电缆绑定加固、线夹夹紧且电缆未绑定加固、线夹 未夹紧且电缆绑定加固、线夹未夹紧且电缆未绑定加 固 4 种情况分别进行有限元模拟分析， 以分析三相电 缆熔断故障是否由电缆未夹紧而引起， 并对结构进行 优化改善。
2 三相电缆有限元对比分析
2.1 有限元模型建立
三相电缆连接线实体如图 1 所示， 整体由线缆安装 座、线夹以及三相线缆组成， 其中线夹与安装座用螺栓 紧固连接， 内包裹三相线缆。车辆纵向为 X 方向， 垂直 方向为 Y 方向， 车辆的横向为 Z 方向。连接线的材料为 铜， 抗拉强度 σb =209 MPa， 断面伸长率 A =60 %， 许用 应力 σ 1=111 MPa。
2.2 载荷和约束
根据 IEC 61373—2010 《铁路应用 -机车车辆设备 - 冲击振动试验》 要求[16]， 模拟三相电缆结构在运行时所 承受各种力的冲击如下。
( 1) 模拟长使用寿命试验中转向架安装设备载荷： 纵向为 14.2 m/s2. 横向为 26.6 m/s2. 垂向为 30.6 m/s2;
( 2) 冲击 试 验 中 转 向 架 安 装 设 备 载 荷： 纵 向 为 300 m/s2. 横向为 300 m/s2. 垂向为 300 m/s2.冲击次数为 18 次， 即 3 个正交平面上的正向和反向 各 3 次。
因广州地铁直线电机车辆已运行较长时间， 轨道出 现磨损等情况， 会导致线路情况变差， 振动载荷增加。 本研究根据在其线路测得的振动情况选取冲击试验载荷， 即纵向、横向和垂向都加载 300 m/s2 的载荷。在有限元 分析中， 连接线静载荷为车辆静止时零件的重力; 最大 动载荷按纵向、横向和垂向都加载 300 m/s2 的施加载荷; 连接线上端面施加电缆线对其的重力。
根据连接线的安装情况， 把连接线和线圈连接绑定 的部位作为零位移固定约束处理， 同时将安装架的安装 面固定。施加 4 种不同约束， 具体载荷情况如图 2 所示。
2.3 结果分析
2.3.1 应力分析
在 ANSYS 软件中分析设计尺寸实体模型的动载荷结 果 (应力、形变和位移计算)， 连接线最大载荷加载条件 下， 4 种状态下等效应力如图 3 所示。由图可知， 4 种状 态 下 整 体 最 大 应 力 分 别 为 为 15.24 、 15.20 、 136.58、 169.03 MPa。对比分析可得：
( 1) 线夹未夹紧状态下， 三相电缆在实际的运行过 程中所受到的应力较夹紧状态大，其中，线夹未夹紧且电 缆未绑定加固情况下， 电缆所受应力最大， 为169.03 MPa;
( 2) 在线夹夹紧状态下， 电缆是否绑定加固对三相 电缆应力影响较小， 而在线夹未夹紧状态下时， 电缆绑 定加固能降低三相电缆在实际的运行过程中所受到的应 力， 降低比例约 19. 19 %， 进而延缓电缆持续大应力下熔 断故障的发生。
2.3.2 寿命云图分析
在 Fatigue Tool 疲劳模块下添加安全系数 Safety Factor 命令、添加寿命 Life 命令求解[17- 18]， 疲劳仿真结构如图 4所示。由图可知， 4 种状态下最小寿命如图中 Min 标记 处所示， 分别为 1.6×107 、 1.6×107 、 1. 17×106 、4.58×105 次。可以看出：
( 1) 线夹未夹紧状态下， 疲劳寿命与夹紧状态相比较小， 其中线夹未夹紧且电缆未绑定加固情况下， 三相 电缆的疲劳寿命最小， 为 4.58×105 次;
( 2) 在线夹夹紧状态下， 电缆是否绑定加固对三相 电缆疲劳寿命影响较小， 而在线夹未夹紧状态下时， 电 缆 绑 定 加 固 能 提 高 三 相 电 缆 疲 劳 寿 命， 提 升 比 例 约 155 %;
( 3) 在线夹未夹紧状态下， 三相电缆出现最小寿命 位置为线圈出线弯头处， 这与实际的发生故障位置相符。
应力与疲劳寿命分析结果显示： 三相电缆线夹未夹 紧状态下， 电缆在实际的运行工况下所受应力将大幅度 提高， 最高位置应力为 169.03 MPa， 为夹紧状态下应力 15.20 MPa 的 11.12 倍， 夹紧状态下疲劳寿命为未夹紧状 态下疲劳寿命 34.93 倍。
三相电缆在增加绑定加固后， 在线夹夹紧状态下， 对三相电缆应力以及疲劳寿命影响较小， 而在线夹未夹 紧状态下时， 电缆绑定加固能有效降低三相电缆在实际 的运行过程中所受到的应力， 降低比例达 19. 19 %， 提升 疲劳寿命比例为 155 %， 进而有效延缓电缆故障的发生。
3 结束语
为验证直线电机三相电缆故障是否由电缆未夹紧而 引起， 采用交叉组合以及有限元应力、疲劳寿命分析方 法， 对三相电缆连接线结构在线夹夹紧且电缆绑定加固、 线夹夹紧且电缆未绑定加固、线夹未夹紧且电缆绑定加 固、线夹未夹紧且电缆未绑定加固 4 种情况分别进行了 仿真计算。分析结果可知， 目前所发生的直线电机三相 电缆熔断故障与电缆未夹紧有关， 且线缆结构在增加绑 固后能有效降低集中应力、提高疲劳寿命。在地铁列车 后续的维修及日常维保中， 应对三相电缆线夹位置进行 检查以及维护加固， 此外， 可对电机三相电缆进行绑扎 加固作业， 从而有效的降低直线电机三相线缆位置的故 障率， 延缓电机寿命， 实现电机稳定、可靠运行， 提升 地铁运营质量。
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第一作者简介：袁 航 (1996- )， 男， 硕士， 研究领域为城市 轨道交通机车车辆。
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