王亞平 杜方孟 羅 斌 孫 偉 劉文松 程海濤 路 廣

(1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，510640，株洲;2.南車(chē)四方車(chē)輛有限公司，266000，青島∥第一作者，工程師)

地鐵B型車(chē)輛具有造價(jià)低、運(yùn)營(yíng)靈活等特點(diǎn)，在較多城市得到廣泛運(yùn)用。為保證通過(guò)小半徑曲線(xiàn)的安全性，該型車(chē)輛普遍采用抗側(cè)滾扭桿裝置。株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司受客戶(hù)委托，負(fù)責(zé)北京地鐵某B型車(chē)扭桿產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，已用于北京地鐵房山線(xiàn)、15號(hào)線(xiàn)以及6號(hào)線(xiàn)的B型車(chē)輛。安裝在北京地鐵房山線(xiàn)B型車(chē)輛上的抗側(cè)滾扭桿裝置如圖1所示。

1 技術(shù)要求及運(yùn)營(yíng)環(huán)境

扭桿裝置與轉(zhuǎn)向架、車(chē)體之間的安裝及接口尺寸要求見(jiàn)圖2。北京地鐵某B型車(chē)的性能要求及運(yùn)營(yíng)環(huán)境見(jiàn)表1所示。

圖1 安裝在北京地鐵房山線(xiàn)車(chē)輛上的抗側(cè)滾扭桿裝置

圖2 北京地鐵某B型車(chē)扭桿接口尺寸要求

表1 北京地鐵某B型車(chē)的扭桿性能要求及運(yùn)營(yíng)環(huán)境

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 方案結(jié)構(gòu)

針對(duì)北京地鐵某B型車(chē)輛的技術(shù)要求，選用了內(nèi)置式的扭桿結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。此種結(jié)構(gòu)的扭桿支撐座組件通過(guò)螺栓固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架下端面，左右兩端的豎向連桿置于構(gòu)架的外側(cè)。

圖3 扭桿結(jié)構(gòu)

扭桿支撐座采用了上下支撐座加層狀支撐橡膠(見(jiàn)圖4)的形式。在車(chē)體側(cè)滾扭桿軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，層狀支撐橡膠可通過(guò)其自身的扭轉(zhuǎn)變形適應(yīng)扭桿軸的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。豎向連桿的上端采用橡膠節(jié)點(diǎn)，下端采用國(guó)外進(jìn)口的金屬關(guān)節(jié)軸承。其優(yōu)點(diǎn)在于:金屬關(guān)節(jié)軸承的運(yùn)動(dòng)自由度較大，可適應(yīng)車(chē)體側(cè)滾時(shí)連桿下端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的偏移、旋轉(zhuǎn)組合的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖4 層狀支撐橡膠

由于車(chē)體構(gòu)架的空間所限，為了避免在車(chē)體側(cè)滾時(shí)扭桿的運(yùn)動(dòng)與構(gòu)架其它部件發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的情況，連桿下端的橫向空間需≤120 mm。因此，連接扭轉(zhuǎn)臂和連桿中金屬關(guān)節(jié)的錐銷(xiāo)采用了創(chuàng)新式的穿孔結(jié)構(gòu)，M20的法蘭面螺栓通過(guò)擰入錐銷(xiāo)中的螺紋孔以固定錐銷(xiāo)并連接扭轉(zhuǎn)臂(如圖5)。這種結(jié)構(gòu)將大大節(jié)約抗側(cè)滾扭桿裝置的安裝和運(yùn)動(dòng)空間。

圖5 連桿和扭轉(zhuǎn)臂的錐銷(xiāo)連接

2.2 工藝方案

零部件的選材借鑒以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)［1］，扭桿軸材料采用EN 10089中的52CrMoV4彈簧鋼。這種鋼材具有高強(qiáng)度、高彈性的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于歐洲軌道交通車(chē)輛的扭桿中，端部鐓粗后進(jìn)行加工。扭轉(zhuǎn)臂和豎向連桿采用模具鍛造毛坯后再機(jī)加工的方式，因上下支撐座應(yīng)力相對(duì)較低，故采用D級(jí)鋼的鑄造毛坯。

2.3 計(jì)算分析

抗側(cè)滾扭桿裝置的剛度是指在車(chē)體側(cè)滾時(shí)，扭桿提供的阻力矩與車(chē)體側(cè)滾角的比值。如當(dāng)車(chē)體側(cè)滾角為α?xí)r，設(shè)豎直連桿上的作用力為N，則扭桿裝置對(duì)車(chē)體作用的力矩Tz為:

則扭桿裝置對(duì)于車(chē)體的扭轉(zhuǎn)剛度M2為:

其中扭桿軸的結(jié)構(gòu)是決定扭桿裝置剛度最主要的因素［2］。當(dāng)扭桿軸的扭轉(zhuǎn)剛度為M1時(shí)，扭桿裝置的剛度計(jì)算為:

式中:

L1——扭桿裝置的連桿跨距，L1=2 466 mm;

L2——扭轉(zhuǎn)臂的中心孔距，L2=180 mm。

M1由扭桿軸的布局決定，對(duì)于結(jié)構(gòu)確定的扭桿軸，M1是其固有屬性。

式中:

G——扭桿軸材料的抗剪彈性模量;

IPi——某一截面的抗扭截面系數(shù);

li——同一直徑的軸長(zhǎng)。

扭桿軸結(jié)構(gòu)如圖6所示。經(jīng)計(jì)算扭桿裝置的M2=1.81 MN·m/rad，已滿(mǎn)足客戶(hù)要求。

圖6 扭桿軸結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 強(qiáng)度校核

應(yīng)用有限元分析的方法對(duì)扭桿的強(qiáng)度進(jìn)行校核，將扭桿的結(jié)構(gòu)以及載荷情況輸入到ABAQUS 6.9有限元分析軟件中，可得到各零件的應(yīng)力載荷情況。以極限載荷±15 kN為例，此時(shí)扭桿的應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 極限載荷±15 kN時(shí)扭桿的應(yīng)力云圖

扭桿的最大應(yīng)力出現(xiàn)在扭桿軸的圓弧過(guò)渡區(qū)域，最大的應(yīng)力達(dá)到了318 MPa(見(jiàn)表2)。經(jīng)分析可知，扭桿零部件選材的強(qiáng)度均滿(mǎn)足疲勞載荷的要求，且均有約3倍的安全系數(shù)。

表2 在±15 kN疲勞載荷條件下的各零部件的應(yīng)力狀況

3 生產(chǎn)制造的關(guān)鍵過(guò)程控制

對(duì)于扭桿軸，其檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)主要包括化學(xué)成分、機(jī)械性能、內(nèi)部質(zhì)量(超聲波探傷)、表面缺陷(磁粉探傷)、噴丸質(zhì)量檢測(cè)。由于從原材料加工成扭桿軸的過(guò)程中，無(wú)影響其內(nèi)部質(zhì)量的工序，因此其內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)可在原材料上進(jìn)行。在扭桿軸表面上的噴丸處理，可使得扭桿軸的表面保留殘余壓應(yīng)力。在其安裝使用時(shí)，表面殘余壓應(yīng)力將可適量降低其應(yīng)力，從而提高扭桿軸的抗疲勞性能。因此，扭桿軸的質(zhì)量控制項(xiàng)點(diǎn)中包括了對(duì)扭桿軸噴丸強(qiáng)度和覆蓋率的檢測(cè)。

扭轉(zhuǎn)臂和豎向連桿均采用42CrMo的模具鍛造毛坯，再進(jìn)行機(jī)加工，因此其質(zhì)量控制的項(xiàng)點(diǎn)也類(lèi)似，除了常規(guī)的化學(xué)成分、機(jī)械性能檢測(cè)外，其檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)還包括表面缺陷的磁粉探傷檢測(cè)和纖維流線(xiàn)檢測(cè)。其中，磁粉探傷的檢測(cè)，主要是為了避免鐵件產(chǎn)品在鍛造過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)或工藝設(shè)計(jì)的不合理，導(dǎo)致鍛造毛坯表面產(chǎn)生肉眼無(wú)法觀(guān)察的微觀(guān)裂紋。這些微觀(guān)裂紋的存在，將大大降低零件的強(qiáng)度和疲勞壽命，尤其是產(chǎn)品在油漆后表面缺陷無(wú)法觀(guān)察得到時(shí)，零件產(chǎn)品中表面缺陷的存在將導(dǎo)致無(wú)法估量的嚴(yán)重后果。纖維流線(xiàn)的檢測(cè)通常作為參考的檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)。在鍛造工藝設(shè)計(jì)合理的情況下，鍛造毛坯的纖維流線(xiàn)的分布應(yīng)基本與毛坯輪廓保持一致，如出現(xiàn)紊流情況，則鍛造毛坯的強(qiáng)度和局部硬度將大大降低。

4 對(duì)抗側(cè)滾扭桿裝置的檢測(cè)

扭桿裝置的性能檢測(cè)通常包括剛度測(cè)試、整體疲勞測(cè)試兩項(xiàng)。

剛度測(cè)試的主要目的是驗(yàn)證扭桿裝置的剛度設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。在進(jìn)行剛度檢測(cè)時(shí)，利用相應(yīng)的工裝模擬扭桿裝置的安裝條件，通過(guò)十二通道機(jī)的液壓裝置在扭桿裝置的豎向連桿上加載載荷，記錄載荷、位移曲線(xiàn)，并通過(guò)相關(guān)的計(jì)算轉(zhuǎn)換為扭桿裝置的剛度。本項(xiàng)目研制的扭桿裝置經(jīng)剛度試驗(yàn)檢測(cè)得到的剛度值為1.77 MN·m/rad，與設(shè)計(jì)剛度和客戶(hù)的要求相吻合。

疲勞試驗(yàn)條件如表3所示。達(dá)到循環(huán)次數(shù)后，對(duì)表面進(jìn)行了磁粉探傷檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋等異?，F(xiàn)象，表明該抗側(cè)滾扭桿裝置具有足夠的疲勞壽命。

表3 北京地鐵某B型車(chē)輛扭桿疲勞試驗(yàn)要求

5 抗側(cè)滾扭桿裝置的運(yùn)用情況

已研制成功的該類(lèi)型抗側(cè)滾扭桿裝置在北京地鐵房山線(xiàn)的車(chē)輛上開(kāi)始運(yùn)用，自2009年試運(yùn)營(yíng)以來(lái)，已取得了較好的運(yùn)營(yíng)業(yè)績(jī)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

［1］ 劉文松，郭春杰.符合法鐵標(biāo)準(zhǔn)的抗側(cè)滾扭桿軸的工藝研制［J］.鐵道車(chē)輛，2007，7(45):125.