辛飛飛, 王玉鵬, 趙峰強, 李梁京, 王宗偉
(中車四方車輛有限公司, 山東青島 266111)
原公鐵車鐵路走行部在線路上運行時,曾多次發(fā)生豎轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)臂斷裂事故。因此重新研制開發(fā)適用鐵路25 m小半徑曲線鐵路的走行部迫在眉睫。
圖1 原淮安公鐵車鐵路走行部
目前,在國內(nèi)基于梅賽德斯-奔馳的烏尼莫克品牌U400、U423型多功能卡車底盤改造的鐵路走行部,能夠通過的最小曲線半徑為35 m,卻無法通過鐵路25 m小曲線半徑。該鐵路走行部的研制,開拓了能夠通過鐵路25 m半徑曲線的公鐵車市場,解決了公鐵車在無法通過25 m半徑鐵路曲線這一難題。
為解決走行部小曲線通過這一難題,該鐵路走行部設(shè)有回轉(zhuǎn)支承。通過回轉(zhuǎn)支承實現(xiàn)車輛在曲線通過過程中,車體與導(dǎo)向機構(gòu)的相對轉(zhuǎn)動。同時,該導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)有復(fù)位裝置,當(dāng)車體與走行部大于一定轉(zhuǎn)角后,復(fù)位裝置迫使車體隨導(dǎo)向機構(gòu)轉(zhuǎn)動,進而完成曲線通過。
鐵路走行部分為前走行部和后走行部。前、后走行部除了與車橋連接部位不同,其余結(jié)構(gòu)相似,均為通過回轉(zhuǎn)支承上安裝座的U型螺栓+左右兩側(cè)的螺栓與車橋連接。每個鐵路走行部主要由回轉(zhuǎn)支承上安裝座、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)支承下安裝座、升降轉(zhuǎn)臂、導(dǎo)向油缸、導(dǎo)向復(fù)位機構(gòu)、橡膠止擋、輪軸組成、位置傳感器等組成。
1-輪軸組成; 2-轉(zhuǎn)臂組成;3-回轉(zhuǎn)支承下安裝座;4-回轉(zhuǎn)支承上安裝座; 5-導(dǎo)向油缸。圖2 走行部組成
回轉(zhuǎn)支承上安裝座為焊接組成件,負(fù)責(zé)連接車橋和回轉(zhuǎn)支承,與車橋通過U型螺栓+普通螺栓桿連接。
回轉(zhuǎn)支承安裝于回轉(zhuǎn)支承上、下安裝座之間,負(fù)責(zé)導(dǎo)向機構(gòu)在車輛曲線通過時的轉(zhuǎn)向。
轉(zhuǎn)支承下安裝座為焊接組成件,負(fù)責(zé)連接回轉(zhuǎn)支承和升降轉(zhuǎn)臂,同時導(dǎo)向復(fù)位機構(gòu)安裝在其下部。
升降轉(zhuǎn)臂為焊接件,一端通過鉸接連接轉(zhuǎn)支承下安裝座,另一端通過螺栓連接輪軸機構(gòu)。
導(dǎo)向油缸兩端鉸接安裝,兩端分別連接同一導(dǎo)向機構(gòu)的輪軸組成。液壓系統(tǒng)要求帶有壓力補償和阻尼系統(tǒng),導(dǎo)向油缸收縮時,導(dǎo)向輪下落至軌道,此時壓力恒定在6 MPa;當(dāng)導(dǎo)向缸伸長時,導(dǎo)向輪升起,此時壓力為零。在公路狀態(tài)下,要求導(dǎo)向油缸帶有液壓鎖裝置。
導(dǎo)向復(fù)位機構(gòu)主要由壓板、橡膠塊等組成。導(dǎo)向裝置可以繞自身結(jié)構(gòu)中心進行回轉(zhuǎn),而導(dǎo)向復(fù)位機構(gòu)則用來限制導(dǎo)向裝置的回轉(zhuǎn),能夠起到自動復(fù)位功能。當(dāng)車輛上軌時,導(dǎo)向裝置下降過程中,導(dǎo)向復(fù)位機構(gòu)能夠保持導(dǎo)向機構(gòu)始終與車輛平行,使其不能隨意轉(zhuǎn)動,便于落入軌道。當(dāng)車輛已經(jīng)通過小曲線進入平直道,導(dǎo)向復(fù)位機構(gòu)能夠主動使導(dǎo)向機構(gòu)快速回正,而不是被動的依靠導(dǎo)向輪緣回正。
橡膠止擋,當(dāng)導(dǎo)向裝置升起后,橡膠止擋起到限位作用,限制導(dǎo)向裝置向上運動,同時限制導(dǎo)向裝置繞自身轉(zhuǎn)動。此時,位置傳感器接收到信號后提示導(dǎo)向裝置已經(jīng)到位。導(dǎo)向油缸停止動作,駕駛室內(nèi)顯示液壓壓力為零。
該鐵路走行部主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 走行部主要技術(shù)參數(shù)
導(dǎo)向機構(gòu)采用等腰梯形四連桿機構(gòu),如圖3所示,AB為機架,AC、BD為升降轉(zhuǎn)臂,CD為導(dǎo)向油缸伸縮機構(gòu),其中AC=BD。通過導(dǎo)向油缸的伸長和收縮實現(xiàn)導(dǎo)向機構(gòu)的升降。
ABCD為公路狀態(tài),導(dǎo)向油缸伸長,導(dǎo)向輪提升,此時,有桿腔出油,無桿腔進油,有桿腔壓力為零,駕駛室顯示壓力為零,見油缸進出油示意圖4(a)。
圖3 等腰梯形原理
圖4 油缸進出油示意圖
AB C′D′為鐵路狀態(tài),導(dǎo)向油缸收縮,導(dǎo)向輪下落至軌道上,導(dǎo)向油缸有桿腔進油,無桿腔出油,此時有桿腔壓力為6 MPa,駕駛室顯示壓力為6 MPa,見油缸進出油示意圖4(b)。
查閱機械設(shè)計手冊,現(xiàn)定缸徑為50 mm,桿徑為35 mm。
油缸壓力:
Ft=Pa·S=6.005(kN)
式中,F(xiàn)t為標(biāo)示油缸推力;
Pa為標(biāo)示油缸壓力;
S為標(biāo)示面積。
以圖3中B點為轉(zhuǎn)動中心,受力分析圖見圖5,力矩分析得:
Ft×245=FD×397.2
則,單個導(dǎo)向輪承受垂向力:
FD=3.7(kN)
分析得前后導(dǎo)向機構(gòu)承受的總垂向力為約3.02 t。
整車整備質(zhì)量11.9 t,空車質(zhì)量為9.9 t(去除水箱水重2 t),則導(dǎo)向機構(gòu)分配質(zhì)量占整車質(zhì)量百分比約為25%~30%之間。比重分配相對較為合理。
圖5 受力分析
原淮安公鐵車導(dǎo)向裝置前后定距為4 617 mm,其在25 m曲線上通過情況見圖6?,F(xiàn)場測繪得知,輪胎胎面寬度為200 mm,中心距1 574 mm,圖解法分析,內(nèi)側(cè)后輪已經(jīng)懸空。
圖6 定距4 617 mm在25 m曲線通過情況
新型導(dǎo)向裝置前后定距為3 080 mm,為奔馳底盤車的橋距。采用圖解法對新型導(dǎo)向機構(gòu)進行曲線通過分析,見圖7。當(dāng)車輛在25 m半徑曲線時,在導(dǎo)向機構(gòu)導(dǎo)向作用下,曲線內(nèi)側(cè)的橡膠輪胎作為過曲線時候的轉(zhuǎn)動支點,承受較大摩擦阻力,曲線外側(cè)橡膠輪胎繞內(nèi)側(cè)輪胎轉(zhuǎn)動,阻力較小。
從圖7看出,橡膠輪胎能夠全部落在25 m曲線軌道上。
圖7 定距3 080 mm在25 m曲線通過情況
該走行部主要計算參數(shù)如表2所示。
該鐵路導(dǎo)向機構(gòu)主要采用Q345C鋼材料,計算載荷依據(jù)鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2637進行確定。計算工況見表3。
表2 走行部主要計算參數(shù)
表3 走行部計算工況
中間部位回轉(zhuǎn)軸承支撐安裝面施加全約束,縱向載荷、垂向載荷均勻加載到4個輪軸上,橫向載荷均勻加載到一側(cè)的兩個輪軸上。
由計算結(jié)果可知:該走行部整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為179.398 MPa,小于材料的屈服強度345 MPa,最大應(yīng)力點位于車軸組成出?;剞D(zhuǎn)支撐下安裝座應(yīng)力最大值79.87 MPa,小于屈服強度345 MPa,靠近安裝座處;轉(zhuǎn)臂組成應(yīng)力最大值為100.28 MPa,小于屈服強度345 MPa,位于轉(zhuǎn)臂梁的根部;車軸組成應(yīng)力最大值為179.398 MPa,小于屈服強度345 MPa,位于靠近油缸座處。
結(jié)論:該鐵路走行部的靜強度滿足使用要求。
圖8 走行部關(guān)鍵部件的應(yīng)力云圖
城陽青島公交集團軌道巴士有限公司車輛段內(nèi)進行該公鐵車走行部25 m小曲線通過試驗。試驗車輛輪胎胎面寬度200 mm,輪胎中心寬度1 574 mm,前后橋距3 080 mm,軌道寬度70 mm。
現(xiàn)場測量輪胎外側(cè)與軌道外側(cè)距離,見圖9。
圖9 線路試驗結(jié)果圖
現(xiàn)場通過25 m曲線時,公鐵車以5 km/h速度正反進行了多次試驗,均能順利通過25 m半徑曲線。曲線通過時的輪胎與軌面接觸情況數(shù)據(jù)見圖9。試驗結(jié)果表明,該公鐵車通過25 m曲線時,最惡劣的輪軌接觸出現(xiàn)在彎道內(nèi)側(cè)后輪處,即BL輪胎,輪胎內(nèi)側(cè)與鋼輪內(nèi)側(cè)基本平齊,但輪胎是完全接觸在軌面上,不影響25 m 曲線通過性能。
該鐵路走行部為完全自主研發(fā)機構(gòu),首次將回轉(zhuǎn)支承應(yīng)用于導(dǎo)向機構(gòu)中,解決了公鐵車小曲線通過易脫軌的難題,填補了國內(nèi)基于25 m小曲線公鐵車鐵路走行部的空白,該走行部的成功研制進一步擴展了公司公鐵車走行部產(chǎn)品種類,為后續(xù)的產(chǎn)品研發(fā)打下基礎(chǔ)。
該導(dǎo)向機構(gòu)已運用并通過運行考核,目前在淮安、武漢、東莞等地運行良好,以上結(jié)果表明該鐵路走行部在滿足運行平穩(wěn)要求的條件下,在曲線通過性能方面具有明顯的優(yōu)勢,尤其適用于小半徑曲線的軌道線路。