杜曉勇，孫保林，馬 泳，趙 劍

（中車北京二七機(jī)車有限公司，北京100072）

GMC16鋼軌打磨車牽引桿裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

杜曉勇，孫保林，馬 泳，趙 劍

（中車北京二七機(jī)車有限公司，北京100072）

牽引桿裝置是打磨A車和B車連接部位的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度和安裝精度直接影響精準(zhǔn)打磨的品質(zhì)優(yōu)劣。通過利用三維軟件和有限元軟件對(duì)牽引桿裝置進(jìn)行建模和強(qiáng)度分析，并依據(jù)車輛鉤緩的強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)合理安裝精度，達(dá)到改善牽引桿裝置整體強(qiáng)度的目的。以此為依據(jù)進(jìn)行牽引桿裝置的實(shí)際生產(chǎn)制造和安裝運(yùn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了整車的打磨精度和打磨效率的提高；同時(shí)，對(duì)降低牽引桿裝置的生產(chǎn)制造成本，提高整車安全運(yùn)行有重要的意義。

精準(zhǔn)打磨；鉤緩裝置；牽引桿裝置；強(qiáng)度設(shè)計(jì)

鋼軌打磨對(duì)我國(guó)高速鐵路、重載鐵路和城軌的建設(shè)和開通運(yùn)營(yíng)后的線路養(yǎng)護(hù)維護(hù)具有重大意義，鋼軌打磨形式從最初的修理性打磨到保養(yǎng)性打磨發(fā)展到“頻繁、快速、輕度”的預(yù)防性打磨。我國(guó)鋼軌打磨技術(shù)的不斷完善，顯著地提高了行車安全、平穩(wěn)和乘客的舒適性[1]。

鋼軌的精準(zhǔn)打磨日益重要，精準(zhǔn)打磨可全面消除鋼軌表面銹蝕、表面疲勞裂紋、波浪磨損等缺陷，延長(zhǎng)了鋼軌的使用壽命。但鋼軌的精準(zhǔn)打磨需要實(shí)現(xiàn)軌廓的精準(zhǔn)測(cè)量，以及達(dá)到與打磨車的打磨策略精準(zhǔn)匹配。即要求在打磨作業(yè)工程中實(shí)現(xiàn)打磨精準(zhǔn)定位，避免打磨區(qū)域缺失、打磨隨意性和重復(fù)打磨現(xiàn)象，提高單次的打磨效率和打磨質(zhì)量。

GMC16型鋼軌打磨車由兩節(jié)車A和B連掛組成，對(duì)軌道和道岔進(jìn)行保養(yǎng)性和修復(fù)性鋼軌打磨，其中，兩車連接部位的牽引桿裝置的設(shè)計(jì)，以及裝配間隙對(duì)精準(zhǔn)打磨的影響十分關(guān)鍵。GMC16型鋼軌打磨車在連續(xù)不停車打磨作業(yè)時(shí)，由于采用鐵路上常用的普通車鉤緩沖裝置或密接車鉤連接，受車鉤間隙和緩沖器的緩沖影響，導(dǎo)致A、B車的不同步作業(yè)和走行較為嚴(yán)重，啟動(dòng)、停止及牽引速度不穩(wěn)定的過程中，出現(xiàn)的B車拖拽、前沖等狀態(tài)，導(dǎo)致打磨作業(yè)時(shí)磨頭的下降和終止時(shí)出現(xiàn)打磨作業(yè)位置的定位誤差。為了改善這種情況，同時(shí)避免出現(xiàn)原地打磨現(xiàn)象而損壞鐵軌，需要重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)現(xiàn)有牽引桿裝置。

為此，本文對(duì)GMC16型鋼軌打磨車牽引桿裝置進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，通過對(duì)牽引桿裝置進(jìn)行三維建模和模擬裝配，合理控制了裝配間隙，同時(shí)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2399、TB/T456等，利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行各工況下的強(qiáng)度校核。最終，實(shí)現(xiàn)了整車的打磨精度和打磨效率的提高，對(duì)保障整車安全運(yùn)行有重要的意義。

1 牽引桿裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

按以上分析，牽引桿裝置須采用剛性連接來實(shí)現(xiàn)A、B車的同步牽引作業(yè)和走行，盡量避免普通鉤緩裝置的間隙、緩沖作用，需要滿足以下要求：

（1）車鉤連掛間隙在11.5～19.5 mm；

（2）緩沖器行程在38～110 mm[2]；

（3）曲線通過時(shí)，水平范圍內(nèi)水平擺角≥17°，垂直擺角≥4°.

改進(jìn)的牽引桿裝置主要組成包括：牽引桿、關(guān)節(jié)軸承、牽引銷、蓋板、磨耗板和通道等，如圖1所示。

圖1 牽引桿裝置裝配模型

1.1 牽引桿

實(shí)現(xiàn)相鄰A和B車之間連掛在一起，并且傳遞縱向牽引力和沖擊力，承載通道連接，其結(jié)構(gòu)見圖2牽引桿（剖視圖）所示，兩端加工階梯狀軸承安裝孔，中間部位空腔鑄造結(jié)構(gòu)，并預(yù)留鑄造工藝孔。

圖2 牽引桿（剖視圖）

選取材料為鑄鋼ZGD690～830，對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能如表1所示。

表1 牽引桿用材的基本力學(xué)性能

1.2 關(guān)節(jié)軸承

利用關(guān)節(jié)軸承的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩車水平和垂向擺動(dòng)，且關(guān)節(jié)軸承具有承受載荷能力大，抗沖擊、抗腐蝕、自調(diào)心、潤(rùn)滑好等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，依據(jù)牽引桿軸承孔結(jié)構(gòu)選用關(guān)節(jié)軸承型號(hào)：GE 90 TXE-2LS，其基本額定動(dòng)載荷為1 370 kN，基本額定靜載荷為2 320 kN.

圖3 關(guān)節(jié)軸承模型圖

1.3 牽引銷

實(shí)現(xiàn)車體與牽引桿的連接，保證車體左右水平擺動(dòng)≥±17°，材質(zhì)選擇E級(jí)鋼，如圖4所示為銷和軸承裝配模型，裝配后的軸承孔和軸的間隙總計(jì)為0.036～0.062 mm.

圖4 關(guān)節(jié)軸承和牽引銷模型

這樣嚴(yán)格控制了兩個(gè)剛性連接之間的間隙，從而降低了列車運(yùn)行過沖中的縱向沖擊，提高了列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，同時(shí)也降低車鉤零件的磨耗和噪聲[3]。

1.4 裝配后需滿足打磨車運(yùn)行過程中的運(yùn)行和作業(yè)要求

（1）水平擺角≥±17°（過曲線線路時(shí)，水平范圍內(nèi)可旋轉(zhuǎn)）

（2）垂直擺角≥4°

如圖5所示，車輛在線路運(yùn)行過程中，保證兩車連掛之間的極限垂向位移和偏角的轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了連接桿剛性連接中承受彎曲力距的作用。

圖5 垂向擺動(dòng)（極限位）

2 靜載拉力試驗(yàn)

針對(duì)牽引桿設(shè)計(jì)模型（E級(jí)鋼）進(jìn)行靜載拉力試驗(yàn)，計(jì)算工況如表2所示，參照標(biāo)準(zhǔn)TB/T1335《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》、TB/T 2399《車鉤、鉤尾框強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、TB/T 456《機(jī)車車輛用車鉤、鉤尾框》等，對(duì)牽引桿進(jìn)行最大永久變形和最小破壞載荷的有限元分析計(jì)算。

表2 計(jì)算載荷工況

依據(jù)《材料力學(xué)》中，抗拉強(qiáng)度表征材料最大均勻塑性變形的抗力，在承受最大拉應(yīng)力之前的變形時(shí)均勻一致的，但超出之后，開始產(chǎn)生集中的變形，此時(shí)外力撤銷后不能回復(fù)原來的形狀，產(chǎn)生永久變形[4]。

2.1 仿真

對(duì)牽引桿進(jìn)行建模和強(qiáng)度分析，可降低實(shí)際生產(chǎn)試制周期，并確保整車運(yùn)行的安全可靠。

通過建立牽引桿有限元計(jì)算模型，并依據(jù)牽引桿的材質(zhì)（見表1）對(duì)其模型進(jìn)行材料屬性的設(shè)定。采用三維實(shí)體單元（SOLID92）進(jìn)行離散，單元平均大小為15 mm，整個(gè)牽引桿共離散為63 864個(gè)單元，129 070個(gè)節(jié)點(diǎn)，按照受力面的網(wǎng)格進(jìn)行匹配劃分[5]，如圖6所示。

圖6 牽引桿網(wǎng)格劃分

（1）在3 115 kN靜載拉力作用下，牽引桿的局部最大應(yīng)力部位的Von Mises應(yīng)力分布云圖顯示為731 MPa，大于屈服極限690 MPa，在消除作用力后，此時(shí)已產(chǎn)生永久塑性變形，但未發(fā)生破壞斷裂。最大應(yīng)力出現(xiàn)在關(guān)節(jié)軸承安裝孔的內(nèi)側(cè)，該處位置為階梯孔安裝面，且截面尺寸變化最急劇的部位，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大應(yīng)力點(diǎn)如圖7所示。

圖7 工況1應(yīng)力云圖

（2）在3115 kN靜載拉力作用下，牽引桿產(chǎn)生最大變形量0.78 mm，小于標(biāo)準(zhǔn)值0.8 mm，此時(shí)產(chǎn)生塑性變形，未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，最大變形位置出現(xiàn)在牽引桿的兩端端部。如圖8所示。

圖8 工況1變形量

（3）在4 005 kN靜載拉力作用下，牽引桿的最大應(yīng)力為798 MPa，有限元計(jì)算結(jié)果顯示，在該極限應(yīng)力的作用下，牽引桿的最大應(yīng)力仍小于極限抗拉強(qiáng)度，牽引桿仍可以安全保障列車的安裝運(yùn)行，如圖9所示。

圖9 工況2應(yīng)力云圖

綜合比較計(jì)算分析結(jié)果與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示，表明牽引桿裝置的設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析表

基于以上設(shè)計(jì)制造了對(duì)應(yīng)牽引桿裝置，在GMC16鋼軌打磨車上開展了實(shí)際運(yùn)用考核，運(yùn)用過程如圖10所示。當(dāng)車組開行啟動(dòng)、打磨作業(yè)過程中和制動(dòng)時(shí)，降低了縱向接觸面之間的間隙，有效地減小了列車縱向沖擊[6]，有效避免了連掛之間的相互沖擊引起的磨耗和噪聲，提高了運(yùn)行和作業(yè)過程的平穩(wěn)性。

圖10 實(shí)際用運(yùn)

3 結(jié)束語

本文對(duì)GMC16鋼軌打磨車牽引桿裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，根據(jù)兩車連接牽引桿裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，通過有限元模擬仿真計(jì)算各工況下的應(yīng)力和變形，保證了裝置的可靠性。實(shí)踐證明，兩車連接牽引裝置的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際運(yùn)用工況，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)關(guān)于剛性車鉤連接、牽引桿設(shè)計(jì)及計(jì)算的相關(guān)理論研究和實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的空白。

[1]劉增杰.高速鐵路的鋼軌打磨技術(shù)建設(shè)小康社會(huì)：中國(guó)科技工作者的歷史責(zé)任[C]//中國(guó)科協(xié)2003年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上）.北京：中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)，2003：1.

[2]任玉君，陳 凱，宋國(guó)文，等.關(guān)于機(jī)車車輛車鉤緩沖裝置的選型分析[J].鐵道車輛，2009，47（05）：1-7，47.

[3]嚴(yán)雋耄.車輛工程[M].3版.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.[4]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1997.

[5]王慶武.ANSYS機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[6]孫竹生，孫 翔.組合列車斷鉤原因的列車動(dòng)力學(xué)分析[J].西南交通大學(xué)報(bào)，1987（4）：1-2.

The Design of Traction Rod Device Between GMC16 Rail Grinding Vehicles

DU Xiao-yong，SUN Bao-lin，MA Yong，ZHAO Jian
（Beijing Feb.7th Locomotive Co.，Ltd.，Beijing 101010，China）

The traction rod device is the key component of the connecting parts of the A car and the B car.The strength and the installation accuracy directly affect the quality of the precision grinding.By using three-dimensional software and finite element software,the modeling and strength analysis of the traction bar device are carried out.According to the strength design specification of vehicle hook,the reasonable installation accuracy is designed to improve the overall strength of the traction bar device.Based on this,the actual production and installation and operation test of the traction rod device is carried out,which realizes the improvement of the grinding accuracy and grinding efficiency of the vehicle,and at the same time,it is significant for reducing the production cost and improving the safe operation of the traction bar.

precision grinding；hook buffer device；traction rod device；strength design

TH122

A

1672-545X（2017）10-0099-03

2017-07-17

杜曉勇（1985-），男，北京人，研究生，工程師，主要研究方向：鐵路工程機(jī)械設(shè)計(jì)和研發(fā)。