王強(qiáng)
摘要:對(duì)軸箱彈簧斷裂的原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可知引起一系懸掛彈簧斷裂的原因很多,主要分為彈簧缺陷影響、承載影響和裝配影響。缺陷影響包括熱處理缺陷、簧條棒料缺陷、機(jī)械硬傷等,承載影響包括軸向承載不均、橫向載荷過(guò)大等,裝配影響包括端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝方式等。本文在研究彈簧特性的基礎(chǔ)上,分析橫向載荷、端圈支撐面偏心量和軸箱體的旋轉(zhuǎn)對(duì)彈簧有效圈應(yīng)力的影響,具有重要的理論和工程實(shí)踐意義。
關(guān)鍵詞:鐵道車(chē)輛;轉(zhuǎn)向架;軸箱定位;彈簧特性
1 導(dǎo)言
隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸進(jìn)入高速重載的新時(shí)代,鐵路列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性與安全性越來(lái)越重要。軸箱彈簧懸掛裝置對(duì)車(chē)輛運(yùn)行是否平穩(wěn)舒適,能否順利通過(guò)曲線(xiàn)并保證車(chē)輛安全運(yùn)行起著重要作用。
2 電力機(jī)車(chē)發(fā)展及分類(lèi)
1935年荷蘭的斯特拉廷和貝克爾兩人,試制了以電池供電的兩軸小型鐵路電力機(jī)車(chē);1842年,蘇格蘭的戴維森制造出一臺(tái)由40組電池供電的標(biāo)準(zhǔn)軌距的電力機(jī)車(chē);1979年,德國(guó)的西門(mén)子設(shè)計(jì)制造了一輛小型電力機(jī)車(chē),電源由機(jī)車(chē)外部的150伏直流發(fā)電機(jī)供給,能運(yùn)載20名乘客,時(shí)速12千米,同年在柏林貿(mào)易展覽會(huì)上,西門(mén)子駕駛這輛電力機(jī)車(chē)首次成功運(yùn)行。1890年英國(guó)倫敦首次用電力機(jī)車(chē)在5.6公里長(zhǎng)的一段地下鐵道上牽引車(chē)輛。1895年美國(guó)的巴爾的摩鐵路隧道區(qū)段采用干線(xiàn)電力機(jī)車(chē)。1903年,德國(guó)人用西門(mén)子公司和美國(guó)通用電氣公司聯(lián)合制造的三相交流電動(dòng)機(jī),在23千米長(zhǎng)的電氣化鐵路上創(chuàng)造了時(shí)速210千米的記錄。20世紀(jì)初,歐洲就有幾個(gè)國(guó)家曾建成幾段以三相交流電供電的電氣化鐵路。中國(guó)1988年制成了第一臺(tái)“韶山”型電力機(jī)車(chē),1998電力機(jī)車(chē)是從接觸網(wǎng)上獲取電能的,接觸網(wǎng)供給電力機(jī)車(chē)的電流有直流和交流兩種。
3 現(xiàn)狀研究分析
彈簧作為鐵道車(chē)輛上重要的承載結(jié)構(gòu),其疲勞強(qiáng)度的分析一直都是國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者的重點(diǎn)研究課題。2000年,趙洪倫運(yùn)用試樣測(cè)試及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛彈簧鋼60Si2MnR進(jìn)行了試驗(yàn)研究,測(cè)定了材料試樣的疲勞性能參數(shù),得到存活率、置信度為95%的P-S-N曲線(xiàn)和修正的Goodman疲勞極限圖。2006年,商躍進(jìn)在拉伸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上測(cè)定彈簧鋼的屈服極限s?、強(qiáng)度極限b?和對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的疲勞極限1N,獲得材料的Goodman-Smith圖。彈簧鋼一般按剪切應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核,因此,對(duì)靜拉伸屈服極限、強(qiáng)度極限和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限進(jìn)行修正,繪出以剪應(yīng)力表示的Goodman-Smith圖,如圖1所示。Goodman-Smith圖是一種疲勞應(yīng)力包絡(luò)圖,只有位于封閉折線(xiàn)內(nèi)的點(diǎn)才是安全的。由圖可知經(jīng)過(guò)fN次循環(huán)不發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力極限。由于機(jī)車(chē)車(chē)輛壓縮彈簧平均應(yīng)力大于零,參考使用Goodman-Smith圖的第一象限部分。
2016年,陳長(zhǎng)健針對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛雙圈螺旋壓縮鋼彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)用現(xiàn)狀,基于EN13906-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱卷彈簧疲勞強(qiáng)度Goodman曲線(xiàn)圖,分析彈簧的許用疲勞應(yīng)力,提出彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[.2016年,王仁智對(duì)圓柱螺旋彈簧的正斷和切斷型疲勞斷裂模式進(jìn)行研究,結(jié)合承受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和軸向正應(yīng)力的圓柱體的受力分析。
4 局部坐標(biāo)系的定義
4.1 在對(duì)彈簧工作應(yīng)力進(jìn)行分析
目前,定義彈簧局部坐標(biāo)系,如圖2所示。沿垂直于簧條軸線(xiàn)方向截切彈簧有效圈,得到圓形橫截面,以圓心為原點(diǎn),以截面法線(xiàn)為t軸,水平指向彈簧中心軸線(xiàn)為l
軸,b軸垂直于tl平面且與z軸正方向的夾角余弦為正值。
4.2 軸向載荷和扭矩作用下的計(jì)算
首先分析彈簧僅受到軸向載荷P作用時(shí),彈簧豎截面上的應(yīng)力合力。在有效圈任意位置垂直截取彈簧,取下面部分為研究對(duì)象,上面部分沿中心軸線(xiàn)受到力P的作用。為保持上面部分的平衡,在上面部分的豎截面上,應(yīng)力合力為與軸向載荷相反的通過(guò)形心的剪力-P和力矩PD/2。根據(jù)作用力與反作用力原理,下面部分豎截面應(yīng)力合力為剪力FS和力矩T,如圖2所示,有下列關(guān)系式成立:
橫截面上有剪力,截面上各點(diǎn)的切應(yīng)力與剪力不平行,b)的剪應(yīng)力疊加,得到下列公式:
當(dāng)橫截面存在剪應(yīng)力時(shí),仍可按照純彎曲公式計(jì)算正應(yīng)力,對(duì)結(jié)果的影響并不顯著。與軸向載荷對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力均布于橫截面,故彈簧橫截面上任意點(diǎn)(l,b)正應(yīng)力為:
只考慮扭轉(zhuǎn)力矩對(duì)彈簧的變形影響,則彈簧變形量為:
式中n——彈簧有效圈圈數(shù)。對(duì)應(yīng)的彈簧剛度kq為:
上式忽略了剪力、彎矩的影響??紤]剪力和彎矩對(duì)彈簧的變形影響,根據(jù)卡氏第一定理,軸向載荷P和外扭矩T'引起的變形用下列表達(dá)式給出:
5 結(jié)論
鐵路運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展對(duì)鐵道車(chē)輛的性能提出更高的要求。軸箱彈簧是鐵道車(chē)輛重要的承載零部件,承受來(lái)自構(gòu)架的各向載荷,緩解車(chē)輛行走過(guò)程中由于軌道不平順帶來(lái)的橫向、垂向振動(dòng)和沖擊,是提高車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性重要部件之一。
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(作者單位:本溪鋼鐵集團(tuán)有限公司北營(yíng)廠(chǎng)區(qū)鐵運(yùn)公司車(chē)輛作業(yè)區(qū))