李 剛

0 引言

軌道檢查車是一種用于檢查鐵路鋼軌病害的一種大型養(yǎng)路機(jī)械，隨著近幾年的鐵路大發(fā)展，鐵路鋼軌病害檢查車的需求日益旺盛。本文針對軌道檢查車設(shè)計(jì)要求，研制開發(fā)一種運(yùn)行速度高、重量輕、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡單的走行部。

1 設(shè)計(jì)要求

整車重量約40t，走行部采用2 個(gè)兩系懸掛從動(dòng)轉(zhuǎn)向架，最高連掛速度為100 km/h，設(shè)計(jì)符合相關(guān)鐵標(biāo)通用技術(shù)條件，構(gòu)架強(qiáng)度符合TB/T1335《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，動(dòng)力學(xué)性能符合GB/T17426《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能評定及試驗(yàn)方法》，基礎(chǔ)制動(dòng)采用軸盤式制動(dòng)，制動(dòng)距離（初速度90 km/h）不大于800 m。

2 主要零部件的設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，基礎(chǔ)制動(dòng)采用軸盤式單元制動(dòng)器，設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)見表1。

表1 基礎(chǔ)制動(dòng)輸入?yún)?shù)

初步選型某型單元制動(dòng)器及制動(dòng)盤技術(shù)參數(shù)見表2。

整車按4 套單元制動(dòng)器設(shè)計(jì)，制動(dòng)距離計(jì)算[1]結(jié)果為：840 mm 輪徑時(shí)，90 km/h 的初速度，緊急制動(dòng)距離為663 m；770 mm 輪徑時(shí)，90 km/h 的初速度，緊急制動(dòng)距離為613 m，滿足設(shè)計(jì)要求。單元制動(dòng)器及制動(dòng)盤選型合理。

2.2 輪對

車輪采用鐵路貨車標(biāo)準(zhǔn)CL60 材質(zhì)[2]的HDSA 型車輪。車軸材料采用LZ50 車軸鋼[3]。根據(jù)基礎(chǔ)制動(dòng)的計(jì)算，整車共需4 套單元制動(dòng)器，每條輪對需要1 套單元制動(dòng)器，為使輪對在制動(dòng)時(shí)受力均勻，將制動(dòng)盤布置在輪對中央。

表2 基單元制動(dòng)器及制動(dòng)盤選型參數(shù)

2.3 構(gòu)架

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響軌道檢查車的行車安全。構(gòu)架主要由兩根側(cè)梁和一根橫梁組焊而成，采用Q345D 材料（可用Q355D 代替）。設(shè)計(jì)兩側(cè)梁中心線的橫向中心距為1 800 mm（與輪對載荷中心距相同），軸距為1 800 mm。為滿足兩系系懸掛的設(shè)計(jì)要求，一系懸掛采用人字橡膠減振器+油壓減振器的結(jié)構(gòu)型式，二系懸掛采用螺旋鋼彈簧+油壓減振器的結(jié)構(gòu)型式。為此，在軸箱導(dǎo)框處設(shè)有人字橡膠減振器安裝座，在左右側(cè)梁處各設(shè)有1 個(gè)二系螺旋鋼彈簧支撐座，橫梁中心處設(shè)有牽引中心銷安裝孔。橫梁前后各設(shè)有1 個(gè)單元制動(dòng)器的安裝座。構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架圖

對構(gòu)架進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析計(jì)算[4]，計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。材料的許用應(yīng)力為216 MPa，構(gòu)架最大應(yīng)力在二系螺旋鋼彈簧安裝座邊緣處，最大計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力為138 MPa，構(gòu)架強(qiáng)度滿足要求[5]。

2.4 懸掛系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向架設(shè)置了兩系懸掛裝置，使車體的振動(dòng)經(jīng)歷兩次彈簧減振裝置衰減。雖然兩系懸掛的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但由于它是從上向下返回再從上向下先后兩次充分利用從車體至輪對之間的有限空間，具有較大的彈簧裝置總靜撓度，并對二系懸掛分別設(shè)計(jì)各自的減振阻尼及剛度，確定適宜的撓度比，明顯地改善了整車的運(yùn)行品質(zhì)。

3 動(dòng)力學(xué)性能分析計(jì)算

3.1 計(jì)算原始參數(shù)

多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算部分輸入重要參數(shù)見表3。

表3 軌道檢查車動(dòng)力學(xué)計(jì)算參數(shù)

3.2 建模

采用SIMPACK 機(jī)械/機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件對軌道檢查車整車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能分析計(jì)算。

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 運(yùn)行穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

一位輪對橫向振動(dòng)幅值隨時(shí)間的關(guān)系見圖3，從計(jì)算結(jié)果中可知，軌道檢查車在新車輪和車輪磨耗后狀態(tài)下的蛇行運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)臨界速度分別為126 km/h 和105 km/h，能滿足最高運(yùn)行速度100 km/h 的運(yùn)行要求。

3.3.2 運(yùn)行平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)主要考慮平穩(wěn)系數(shù)和最大加速度，計(jì)算結(jié)果見圖4，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知。

圖2 構(gòu)架強(qiáng)度有限元分析結(jié)果

在110 km/h 速度以內(nèi)，橫向及垂向最大加速度分別為4.3457 m/s2（≤4.91 m/s2）和4.8979 m/s2（≤6.87 m/s2），均低于0.5 g 或0.7 g 的標(biāo)準(zhǔn)[6]。

在110 km/h 速度以內(nèi)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)為3.4356，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)為3.3098，均小于3.5[6]。

3.3.3 直線運(yùn)行安全性計(jì)算結(jié)果

軌道檢查車以110 km/h 以下速度運(yùn)行時(shí)，輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全性指標(biāo)均在規(guī)定的限度值以內(nèi)，直線運(yùn)行安全性滿足要求[6]，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 直線運(yùn)行安全性計(jì)算

圖3 一位輪對橫向振動(dòng)幅值隨時(shí)間的關(guān)系

圖4 平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

3.3.4 動(dòng)態(tài)曲線通過計(jì)算結(jié)果

軌道檢查車以小于70 mm 的欠超高通過半徑為300 m、400 m、600 m 的圓曲線、以45 km/h 速度通過由12 號道岔組成的渡線和以30 km/h 速度通過由9 號道岔組成的渡線時(shí)，輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率均滿足要求[6]，計(jì)算結(jié)果見表5。

4 結(jié)論

新研制的軌道檢查車走行部，其結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，下部空間方便維修。研制過程嚴(yán)格遵循了相關(guān)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)理論分析計(jì)算，整車滿足最大制動(dòng)距離的要求，構(gòu)架強(qiáng)度復(fù)合材料性能要求，整車動(dòng)力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)良好，能夠滿足最大運(yùn)行速度要求。此走行部可擴(kuò)展適用于其他小軸重的大型養(yǎng)路車型中。

表5 曲線通過性能計(jì)算結(jié)果