創(chuàng)新者：湯琴琴 李春輝 魏春陽

一種新型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度研究

創(chuàng)新者：湯琴琴 李春輝 魏春陽

本文介紹了單拉桿軸箱定位方式的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等情況。重點(diǎn)說明了構(gòu)架強(qiáng)度方面的研究工作。

HXN5型大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)用的過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)車輪緣非正常磨耗問題，動(dòng)力學(xué)計(jì)算和試驗(yàn)均顯示該機(jī)車轉(zhuǎn)向架的軸箱定位方式是引發(fā)這一問題的主要原因，鑒于此原因我公司研發(fā)了一種新型機(jī)車轉(zhuǎn)向架，其軸箱定位方式由原來的導(dǎo)框式定位改為單拉桿式定位。配合這一改變，研發(fā)了新型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架。

構(gòu)架設(shè)計(jì)

構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架其他零部件的安裝基礎(chǔ)，承受縱向、橫向、垂向載荷。除了靜載荷以外，還需要承受機(jī)車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷。構(gòu)架結(jié)構(gòu)是否合理，靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的情況，直接影響機(jī)車運(yùn)行的安全性。

構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)采用箱型梁組焊而成，包括兩根左右對(duì)稱的側(cè)梁、牽引梁、橫梁和后端梁，構(gòu)架前端沒有封閉。構(gòu)架上下平面、側(cè)面等焊接了一些座用以提供其他零部件的安裝接口，新型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架見圖1。

構(gòu)架的仿真設(shè)計(jì)

新型車構(gòu)架的單拉桿結(jié)構(gòu)雖然在國內(nèi)是首次用于干線重載貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車，但其強(qiáng)度的評(píng)定依然依據(jù)TB/T 2368-2005 《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》。為了評(píng)定該新型車構(gòu)架的強(qiáng)度，需要對(duì)構(gòu)架進(jìn)行有限元分析和強(qiáng)度試驗(yàn)。計(jì)算和試驗(yàn)用的載荷依據(jù)TB/T 2368-2005標(biāo)準(zhǔn)編制，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的載荷用來校驗(yàn)構(gòu)架承受工作載荷的能力。構(gòu)架的有限元模型見圖2。構(gòu)架仿真分析用參數(shù)包括各向剛度及間隙值等。

新型車構(gòu)架材料牌號(hào)為QSH1001，為我公司自行開發(fā)的一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，楊氏彈性模量為205GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為400MPa，抗拉強(qiáng)度為520 MPa，許用屈服強(qiáng)度350MPa。

通過ANSYS軟件對(duì)構(gòu)架模型進(jìn)行各個(gè)工況下的載荷能力分析，主要包括超常載荷工況、主要運(yùn)營載荷工況、特殊載荷工況和疲勞試驗(yàn)載荷工況。

超常載荷工況下的靜強(qiáng)度分析結(jié)果見表1。

表1　超常靜載荷工況的最大應(yīng)力表

從分析結(jié)果可以看出，構(gòu)架在三個(gè)超常載荷工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均符合要求。

主要運(yùn)營載荷工況有13個(gè)，是基于Goodman疲勞極限圖來分析評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的。主要運(yùn)營載荷工況的應(yīng)力分布見圖3。

圖2　構(gòu)架有限元模型圖

圖1　新型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架圖

圖中曲線a1適用于構(gòu)架的對(duì)接焊縫區(qū)；曲線a2適用于構(gòu)架的其他類型的焊縫區(qū)；曲線b適用于位于非焊接區(qū)域。可見圖中超出曲線a1的節(jié)點(diǎn)有6個(gè)，超出a2的節(jié)點(diǎn)有48個(gè)，這些節(jié)點(diǎn)都不處于焊縫區(qū)域，所以該構(gòu)架滿足疲勞強(qiáng)度要求。

其他工況下的分析結(jié)果在此不做詳細(xì)描述。總之，對(duì)新型車構(gòu)架強(qiáng)度分析后發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于構(gòu)架材料的許用屈服強(qiáng)度，疲勞評(píng)價(jià)時(shí)，所有點(diǎn)都落在Goodman疲勞極限圖的包絡(luò)線內(nèi)，故而可以從理論計(jì)算的角度判定該新型車構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都滿足設(shè)計(jì)對(duì)構(gòu)架強(qiáng)度的要求。

圖3　主要運(yùn)營載荷工況的應(yīng)力分布

圖4　構(gòu)架現(xiàn)場(chǎng)貼片圖

圖5　構(gòu)架疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)公司轉(zhuǎn)向架研制計(jì)劃，該型構(gòu)架在中國鐵道科學(xué)研究院進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。

本試驗(yàn)構(gòu)架共有30個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中應(yīng)變花21片，應(yīng)變片9片。構(gòu)架現(xiàn)場(chǎng)貼片圖見圖4。

根據(jù)上文所述工況進(jìn)行依次加載，構(gòu)架的最大應(yīng)力測(cè)量值為184.8MPa。按照構(gòu)架所用材料的許用應(yīng)力，所有測(cè)點(diǎn)均未超過許用應(yīng)力。

構(gòu)架疲勞試驗(yàn)是根據(jù)上文所述的工況和標(biāo)準(zhǔn)載荷，分3個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn)一千萬次，疲勞載荷加載后一共要循環(huán)1.0×107，如圖5所示。

按照檢驗(yàn)依據(jù)規(guī)定的試驗(yàn)載荷對(duì)構(gòu)架進(jìn)行總計(jì)1.0×107次的疲勞試驗(yàn)。在第一階段（6.0×106次）、第二階段（2.0×106次）終了時(shí)對(duì)構(gòu)架進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)，構(gòu)架未出現(xiàn)任何形式的裂紋。在第三階段（2.0×106次）完成后進(jìn)行磁粉探傷，構(gòu)架未出現(xiàn)任何形式的裂紋。試驗(yàn)結(jié)果表明新型車構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

新型車強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與原型車比較見表2所示。

表2　新型車強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與原型車比較表

從兩個(gè)構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果來看，除了垂向載荷+扭曲載荷工況，其他工況新型車構(gòu)架應(yīng)力明顯低于原型車，性能更加優(yōu)越。

結(jié)語

目前，本文研究的新型車構(gòu)架已經(jīng)完成所有試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了批量裝車使用。從運(yùn)用情況可知，單拉桿轉(zhuǎn)向架解決了原型車轉(zhuǎn)向架在運(yùn)用過程中出現(xiàn)了非正常的輪緣磨耗問題。與此同時(shí)，單拉桿轉(zhuǎn)向架以其卓越的性能廣泛應(yīng)用于我公司出口機(jī)車項(xiàng)目。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.027