孟慶玲， 孫保林

（北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司，北京100072）

1 引 言

軌道邊坡清篩機(jī)是從國(guó)外引進(jìn)的一種新型大功率軌道養(yǎng)護(hù)設(shè)備，用于分離軌道兩側(cè)邊坡道碴中的污土和碎石，然后將可用道碴再回填至邊坡，由此可提高軌道兩側(cè)邊坡的瀝水性。邊坡清篩機(jī)由裝載車(chē)和篩分車(chē)兩節(jié)車(chē)組成，主要包括道碴挖掘裝置、輸送裝置、分離裝置、回填裝置。該設(shè)備是以國(guó)外技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式引進(jìn)的項(xiàng)目，但必須根據(jù)目前的實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力確定國(guó)產(chǎn)化的部位和份額，這樣才能以較小的風(fēng)險(xiǎn)、較低的成本實(shí)現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)。在國(guó)產(chǎn)化的份額中，其中最重要的系統(tǒng)是轉(zhuǎn)向架，為適應(yīng)國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向架的要求須對(duì)車(chē)架枕梁等相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)更改，下面以篩分車(chē)枕梁為例說(shuō)明新設(shè)計(jì)的原則和具體的實(shí)現(xiàn)方法。

2 保證挖掘斗輪等工作裝置的原始作業(yè)深度不變

由于車(chē)架其余安裝工作裝置的部位的結(jié)構(gòu)不變，可通過(guò)保證車(chē)架上面至軌面之間的距離不變來(lái)保證工作裝置的原始作業(yè)深度。但由于車(chē)架圖紙中信息的限制、甚至通過(guò)不同的途徑計(jì)算出的尺寸是相互矛盾的，因而無(wú)法找到車(chē)架上面至軌面距離的準(zhǔn)確值，所以最終的解決方案是：首先確定國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向架上心盤(pán)安裝面至軌面的高度與原始設(shè)計(jì)的差異，然后通過(guò)調(diào)整枕梁高度來(lái)彌補(bǔ)心盤(pán)安裝面高度的變化值，從而保證車(chē)架上面至軌面的距離保持不變，示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 枕梁高度變化值的圖示

根據(jù)圖示可計(jì)算枕梁須降低的高度：

圖1 中，H11-原始轉(zhuǎn)向架下心盤(pán)工作高；H12-原始上心盤(pán)高度；H13-原始枕梁高度；H21-國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向架下心盤(pán)工作高；H22-國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向架尼龍?zhí)着c上心盤(pán)高度和；H23-國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)枕梁高度；ΔH-枕梁需要降低的高度。

由于篩分車(chē)結(jié)構(gòu)的限制，即使將枕梁底板位于枕梁下方的部分截掉分成兩段后直接與縱梁底板對(duì)接（見(jiàn)圖2），雖然只能將枕梁高度降低48mm，此時(shí)車(chē)架上面依然比原設(shè)計(jì)高5mm，但不會(huì)影響該部位作業(yè)裝置的作業(yè)效果，所以可以接受。

圖2 篩分車(chē)枕梁結(jié)構(gòu)

由于枕梁結(jié)構(gòu)更改后只能用螺栓將上心盤(pán)直接固定在車(chē)架縱梁的底板上，由于安裝心盤(pán)部位的底板位于密閉箱型梁內(nèi)，所以須在縱梁底板安裝心盤(pán)的部位兩側(cè)加工出直徑大約150mm 的工藝孔以將胳膊伸放進(jìn)螺母，同時(shí)為提高螺栓緊固的工藝性，須在縱梁底板內(nèi)側(cè)增加帶兩個(gè)內(nèi)六方孔的活動(dòng)連接板，套住兩個(gè)螺母以限制擰緊螺栓時(shí)螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 篩分車(chē)心盤(pán)安裝

3 滿足轉(zhuǎn)向架的接口尺寸及相對(duì)運(yùn)動(dòng)空間要求

轉(zhuǎn)向架是為鐵路車(chē)輛提供動(dòng)力或輔助車(chē)輛行駛的支撐裝置，車(chē)架和轉(zhuǎn)向架之間通過(guò)上、下心盤(pán)限制相互間的位置關(guān)系，允許二者之間有小范圍的垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。為改善車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中所受到的垂向沖擊載荷及通過(guò)彎道的性能，轉(zhuǎn)向架下心盤(pán)安裝構(gòu)件搖枕與車(chē)輪之間設(shè)計(jì)有一系懸掛彈簧減震裝置、搖枕與車(chē)架之間設(shè)計(jì)有彈性支撐－旁承。枕梁應(yīng)該滿足與國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向架的接口正確、且相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉。

3.1 靜態(tài)接口尺寸的確定

枕梁與轉(zhuǎn)向架之間通過(guò)旁承和上下心盤(pán)接觸定位，原始枕梁的旁承面是枕梁底板上直接折彎成型的臺(tái)階面，但由于國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向架旁承間距從1270mm 增加1520mm、以及旁承結(jié)構(gòu)的變化和枕梁高度的降低，原始結(jié)構(gòu)會(huì)與轉(zhuǎn)向架的側(cè)架產(chǎn)生干涉，解決辦法是增大枕梁底面的折彎斜度、取消旁承面-代之以焊接在枕梁斜底面上的旁承座（見(jiàn)圖2），旁承磨耗板用沉頭方頸螺栓安裝在旁承座底板上。根據(jù)圖4 所示的國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向架的上心盤(pán)上面高度與旁承工作高之間關(guān)系得出：

其中，h-旁承工作高（落車(chē)后旁承的高度）；Δh-上心盤(pán)上面與旁承上面的高度差。

即旁承磨耗板的底面須高出上心盤(pán)安裝面9mm。

圖4 國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向架心盤(pán)與旁承間高度關(guān)系示意

3.2 動(dòng)態(tài)接口尺寸的確定

3.2.1 車(chē)架與轉(zhuǎn)向架相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的極限角度

圖5 車(chē)輛通過(guò)最小曲線半徑彎道時(shí)的簡(jiǎn)化模型

當(dāng)車(chē)輛通過(guò)最小曲線半徑的彎道時(shí)，車(chē)架和轉(zhuǎn)向架之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角最大，相互間位置關(guān)系見(jiàn)圖5。

其中，L-前后轉(zhuǎn)向架心盤(pán)之間的中心距，L=16764mm；R-邊坡清篩機(jī)運(yùn)行通過(guò)的最小曲線半徑，R=180000mm；α-車(chē)架和轉(zhuǎn)向架之間的最大相對(duì)轉(zhuǎn)角。

3.2.2 旁承磨耗板結(jié)構(gòu)尺寸的校核

圖6 旁承磨耗板在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中極限位置圖

預(yù)先設(shè)定旁承磨耗板的大小為520mm×170mm，為提高設(shè)計(jì)的可靠性，用車(chē)架和轉(zhuǎn)向架之間相對(duì)轉(zhuǎn)角為5°（計(jì)算值是2.67°）來(lái)校核兩者的極限位置狀態(tài)，見(jiàn)圖6。由圖可見(jiàn)車(chē)架從與轉(zhuǎn)向架平行的位置轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置的過(guò)程中磨耗板與整個(gè)旁承面始終處于接觸狀態(tài)；并且在極限位置處與側(cè)架之間的間隙為23mm，小于過(guò)彎道時(shí)搖枕與側(cè)架之間所允許的最大橫動(dòng)量19mm（為轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)尺寸），所以極限位置處旁承磨耗板（旁承座的外形尺寸比磨耗板的?。┡c轉(zhuǎn)向架之間有4mm 間隙，車(chē)架與轉(zhuǎn)向架不會(huì)干涉。但由于間隙只有4mm，為避免由于制造誤差導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)干涉，所以將磨耗板的四個(gè)角加工成R50 的圓弧，徹底消除了運(yùn)動(dòng)干涉的可能性。

3.2.3 車(chē)架枕梁與轉(zhuǎn)向架之間垂向間隙

當(dāng)車(chē)輛通過(guò)彎道過(guò)程中產(chǎn)生的向心力會(huì)使車(chē)架產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，彎道內(nèi)側(cè)旁承和一系懸掛彈簧都將會(huì)產(chǎn)生一定的壓縮變形來(lái)適應(yīng)載荷的變化，致使彎道內(nèi)側(cè)車(chē)架距軌面的距離減小，而轉(zhuǎn)向架的側(cè)架與車(chē)輪之間可認(rèn)為是剛性連接，即側(cè)架上面至軌面的距離基本不變，因此側(cè)架與位于其上方的車(chē)架之間要有足夠的垂向間隙，以保證車(chē)架通過(guò)彎道時(shí)不會(huì)與轉(zhuǎn)向架的側(cè)架發(fā)生干涉。對(duì)于該車(chē)，位于轉(zhuǎn)向架側(cè)架上方的車(chē)架的最低部位是枕梁，所以要保證車(chē)架枕梁下面與轉(zhuǎn)向架側(cè)架上面有足夠的垂向間隙。垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)極限發(fā)生在一系懸掛彈簧和旁承全部壓縮到極限位置的情況下，此極限位為枕梁設(shè)計(jì)時(shí)考慮的極限條件，正常運(yùn)行情況下不會(huì)達(dá)到，但可提高設(shè)計(jì)的可靠性。

為便于說(shuō)明枕梁下面與側(cè)架上面之間的垂向設(shè)計(jì)間隙L，定義如下參數(shù)：L1-旁承從工作高到完全壓靠位的變形量；L2-彈簧從工作高到完全壓靠位的變形量；L3-旁承工作高（落車(chē)后的高度）；L4-旁承完全壓靠時(shí)的高度；L5-一系懸掛彈簧工作高（落車(chē)后的高度）；L6-一系懸掛彈簧完全壓靠時(shí)的高度。

則有：L1=L3-L4；L2=L5-L6。

如果垂向間隙L>L1+L2，則一定不會(huì)產(chǎn)生垂向運(yùn)動(dòng)干涉，考慮到一定的設(shè)計(jì)容余，取L≈L1+L2+35mm。根據(jù)手中掌握的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如下：

對(duì)于篩分車(chē)L=15+62+35=112mm。

至此，枕梁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸已全部確定，其余與轉(zhuǎn)向架不相關(guān)的結(jié)構(gòu)和尺寸參照原始設(shè)計(jì)，局部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的更改，篩分車(chē)枕梁見(jiàn)圖2。

4 保證枕梁的力學(xué)性能

梁的高度降低必然會(huì)影響到其截面的抗彎性能，為了盡可能小地削弱其抗彎能力，相應(yīng)地增加了枕梁立板的厚度。采用的方法是：保證立板自身的形心主慣性矩不變，然后校核關(guān)鍵截面上的最大剪應(yīng)力和正應(yīng)力。

4.1 立板厚度的確定

其中：b1、h1是原始設(shè)計(jì)中關(guān)鍵截面立板的厚度和高度；b2、h2是改進(jìn)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵截面立板的厚度和高度。

這里的關(guān)鍵截面是指關(guān)鍵受力面，分為工作時(shí)受力最大的面和起吊時(shí)受力最大的面，根據(jù)兩個(gè)關(guān)鍵截面計(jì)算結(jié)果中較大的b2選擇材料的板厚。b1、h1為已知量，h2可以根據(jù)前面確定的枕梁高度計(jì)算出來(lái)，所以能計(jì)算出b2。

關(guān)鍵工作截面：

關(guān)鍵起吊截面：

根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果及可選材料規(guī)格取篩分車(chē)枕梁立板厚度為25mm，材料與原始材料強(qiáng)度相當(dāng)。

4.2 枕梁強(qiáng)度校核

由于該設(shè)計(jì)屬技術(shù)引進(jìn)項(xiàng)目國(guó)產(chǎn)化的份額，國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法得到車(chē)架準(zhǔn)確的工況和受力情況，所以只能依靠技術(shù)轉(zhuǎn)讓方來(lái)做修改后的枕梁的強(qiáng)度校核。轉(zhuǎn)讓方對(duì)修改后的枕梁模型分析后沒(méi)有提出異議。

本文僅以篩分車(chē)枕梁為例對(duì)起吊關(guān)鍵截面-枕梁與端部吊耳之間的連接面（截面圖見(jiàn)圖7）的受力情況與原始設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較。起吊過(guò)程中關(guān)鍵截面主要受剪力和彎矩作用，下面分別討論截面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。

圖7 篩分車(chē)枕梁起吊關(guān)鍵截面

（1）比較剪應(yīng)力與原始設(shè)計(jì)值之間的大小關(guān)系原始剪切面積

A0=457×19+584×25+12.5×164×2=27383mm2

新設(shè)計(jì)剪切面積

A=453×20+584×25+25×135×2=30410mm2

顯然A>A0，由τ0=Q/A0和τ=Q/A 可知τ<τ0，所以截面的剪切強(qiáng)度滿足原始設(shè)計(jì)要求。

（2）比較彎曲正應(yīng)力與原始設(shè)計(jì)值的大小關(guān)系

工作時(shí)彎矩的作用使截面有繞Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。

截面的形心垂向坐標(biāo)ZC和截面對(duì)過(guò)形心平行于Y軸的軸的形心主慣性矩如下：

原始設(shè)計(jì)：

國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)：

起吊過(guò)程中：梁的上面受拉應(yīng)力，用σt表示；下面受壓應(yīng)力，用σc表示。新設(shè)計(jì)中截面上的最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力與原始設(shè)計(jì)值的比值如下：

由于枕梁起吊截面的安全系數(shù)設(shè)計(jì)很高，所以認(rèn)為壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別是原始設(shè)計(jì)的1.11 倍和1.19倍的設(shè)計(jì)結(jié)果是可以接受的，也得到了技術(shù)轉(zhuǎn)讓方的認(rèn)可。如果要與原始設(shè)計(jì)強(qiáng)度相當(dāng)，可以重新修正立板的厚度，或在受力大的部位增加矩形鋼管或槽鋼來(lái)進(jìn)行加強(qiáng)。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)邊坡清篩機(jī)轉(zhuǎn)向架?chē)?guó)產(chǎn)化的要求對(duì)車(chē)架枕梁進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，但由于技術(shù)轉(zhuǎn)讓方對(duì)一些細(xì)節(jié)和實(shí)質(zhì)的設(shè)計(jì)信息并不轉(zhuǎn)讓，設(shè)計(jì)所需的原始數(shù)據(jù)無(wú)法得到，所以在原始設(shè)計(jì)資料并不齊全的情況下只能選擇一些間接的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如枕梁高度的確定和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法和強(qiáng)度比較分析法，雖然辦法比較原始，但確實(shí)是一種解決此類(lèi)問(wèn)題的很有效的方法。

［1］ 畢勤勝，李繼剛.工程力學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2007.

［2］ SBC27-31 用戶手冊(cè)［Z］. 美國(guó)：Loram Maintenance of Way.，Inc.，2011.