劉 陽，付茂海，馬成成，汪 洋

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

國(guó)際聯(lián)運(yùn)和區(qū)域間運(yùn)輸是國(guó)家間經(jīng)貿(mào)交流的重要途經(jīng)[1]，與其他運(yùn)輸方式相比，鐵路運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)顯著。在鐵路系統(tǒng)中，線路標(biāo)準(zhǔn)軌距為1 435 mm，也是運(yùn)用最為廣泛的軌距。但由于歷史等種種原因，不同國(guó)家鐵路采用的軌距不盡相同，阻礙了鐵路運(yùn)輸和國(guó)際聯(lián)運(yùn)的發(fā)展[2]。因此，要充分發(fā)揮鐵路運(yùn)輸運(yùn)量大、成本低、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)國(guó)際貿(mào)易快速發(fā)展，解決不同軌距間的聯(lián)通問題就顯得尤為重要。

可變軌距轉(zhuǎn)向架具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，是目前實(shí)現(xiàn)不同軌距間轉(zhuǎn)換的主要方式之一[3]。作為可變軌距轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，制動(dòng)夾鉗隨動(dòng)裝置(以下簡(jiǎn)稱“隨動(dòng)裝置”)的可靠性對(duì)實(shí)現(xiàn)變軌距具有重要意義[4]。本文以某型可變軌距轉(zhuǎn)向架制動(dòng)夾鉗隨動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析，研究其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足變軌距和制動(dòng)性能要求，為可變軌距轉(zhuǎn)向架隨動(dòng)裝置的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 隨動(dòng)裝置基本結(jié)構(gòu)

隨動(dòng)裝置主要由撥桿、連接塊、外殼體、越程軌以及移動(dòng)塊等部分組成，如圖1所示。撥桿和連接塊分別通過定位銷、螺釘與移動(dòng)塊連接，移動(dòng)塊和越程軌置于外殼腔內(nèi)，外殼通過螺栓與動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的隨動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝座連接。該裝置適用于1 435/1 520 mm軌距之間切換，同時(shí)在兩種軌距下具有鎖緊功能。下面以軌距從1 435 mm到1 520 mm的變軌過程為例簡(jiǎn)述隨動(dòng)裝置的工作原理。

圖1 隨動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)組成

車輛進(jìn)入地面變軌裝置后，車輪開始發(fā)生向外橫移運(yùn)動(dòng)，當(dāng)橫移量達(dá)到10 mm時(shí)，車輪與隨動(dòng)裝置的撥桿相接觸，鎖緊裝置開始解鎖，移動(dòng)塊和越程裝置均無動(dòng)作。車輪橫移量由10 mm到17 mm的過程中，車輪擠壓撥桿壓縮彈簧，彈簧推動(dòng)插條使得鎖緊裝置完成解鎖，移動(dòng)塊開始移動(dòng)，越程裝置開始沿越程軌上滑。車輪繼續(xù)橫移達(dá)26.5 mm時(shí)，鎖緊裝置處于解鎖狀態(tài)，移動(dòng)塊移動(dòng)26.5 mm，越程裝置跨過越程軌中部開始下滑，輪對(duì)完成變軌。由于越程恢復(fù)彈簧此時(shí)還處于壓縮狀態(tài)，越程裝置下降，推動(dòng)移動(dòng)塊繼續(xù)移動(dòng)，解鎖裝置處于解鎖狀態(tài)。移動(dòng)塊繼續(xù)移動(dòng)17 mm，越程裝置到達(dá)越程軌底部，解鎖裝置鎖閉，隨動(dòng)結(jié)束。整個(gè)過程越程裝置移動(dòng)43.5 mm，即單側(cè)車輪橫移量為43.5 mm(輪對(duì)內(nèi)側(cè)距由1 353 mm變?yōu)? 440 mm)。

2 建立有限元模型

隨動(dòng)裝置有限元分析采用空間笛卡爾坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下，X軸指向車輛運(yùn)行方向，Y軸與運(yùn)行方向垂直，Z軸垂直于軌道平面，正方向?yàn)樨Q直向上。發(fā)生制動(dòng)時(shí)，越程裝置位于殼體兩側(cè)，此時(shí)隨動(dòng)裝置容易發(fā)生強(qiáng)度失效。因此，本文計(jì)算模型中，取越程裝置位于1 520 mm軌距時(shí)進(jìn)行分析。

隨動(dòng)裝置有限元模型采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid 45和20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid 95進(jìn)行離散，共離散為286 939個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成實(shí)體單元259 868。螺栓預(yù)緊力通過預(yù)緊力單元Pretension 179模擬，撥桿與移動(dòng)塊間的定位銷用Beam 188模擬。定位銷上下兩端節(jié)點(diǎn)和撥桿建立點(diǎn)面接觸，中間節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)塊與定位銷接觸面耦合自由度。連接塊銷軸下端與閘片摩擦中心之間建立梁?jiǎn)卧狟eam 188，得到的隨動(dòng)裝置有限元模型如圖2所示。

圖2 隨動(dòng)裝置有限元模型

3 載荷工況

在超常載荷和模擬運(yùn)營(yíng)工況下，隨動(dòng)裝置主要受到制動(dòng)時(shí)的垂向載荷以及慣性振動(dòng)載荷的作用。垂向載荷施加在閘片摩擦中心處，慣性振動(dòng)載荷以振動(dòng)加速度的形式施加在整個(gè)有限元模型上。根據(jù)EN 13749標(biāo)準(zhǔn),超常載荷和模擬運(yùn)營(yíng)工況下的垂向載荷基本計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 垂向載荷基本計(jì)算參數(shù)

超常載荷工況下各制動(dòng)單元閘片摩擦中心處的垂向載荷FD,max為：

(1)

模擬運(yùn)營(yíng)工況下各制動(dòng)單元閘片摩擦中心處的垂向載荷FD為：

(2)

超常載荷和模擬運(yùn)營(yíng)工況下隨動(dòng)裝置的振動(dòng)加速度如表2所示。

表2 不同工況下的振動(dòng)加速度

制動(dòng)力和振動(dòng)加速度相互組合，并考慮垂向重力加速度，便可得到夾鉗隨動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算工況組合，如表3所示。

表3 夾鉗隨動(dòng)裝置計(jì)算工況組合

4 強(qiáng)度校核

4.1 靜強(qiáng)度校核

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，隨動(dòng)裝置各部件在各超常載荷工況下產(chǎn)生的最大von_Mises應(yīng)力不得超過材料的許用應(yīng)力。隨動(dòng)裝置材料為Q345E，其力學(xué)性能如表4所示。

表4 Q345E力學(xué)性能

利用ANSYS對(duì)隨動(dòng)裝置在超常載荷下的16個(gè)工況進(jìn)行校核，得到S-1～S-16各工況下的最大應(yīng)力值，如表5所示。

表5 隨動(dòng)裝置在超常載荷下16個(gè)工況的最大應(yīng)力值

計(jì)算結(jié)果表明：在各超常載荷下，S-7工況應(yīng)力最大，為257.38 MPa，該應(yīng)力值小于材料許用應(yīng)力，因此，結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足要求。S-7工況下隨動(dòng)裝置的應(yīng)力分布云圖如圖3所示，最大應(yīng)力位于外殼體螺栓孔處。其余工況最大應(yīng)力也均位于外殼體螺栓孔處。

圖3 S-7工況下隨動(dòng)裝置應(yīng)力分布云圖

4.2 疲勞強(qiáng)度校核

基于裂紋擴(kuò)展方向與最大主應(yīng)力方向垂直的基本現(xiàn)象，國(guó)際鐵路聯(lián)盟研究試驗(yàn)委員會(huì)給出了將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)換為單軸應(yīng)力的方法。計(jì)算時(shí)，首先獲得各節(jié)點(diǎn)在各模擬運(yùn)營(yíng)計(jì)算工況下的應(yīng)力分布，尋找最大拉伸主應(yīng)力及其方向；然后，將節(jié)點(diǎn)在其余工況下的應(yīng)力向最大主應(yīng)力方向投影，并獲得最小應(yīng)力；最后，將計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力循環(huán)特征點(diǎn)入Goodman曲線，評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。Q345E材料的Goodman-Smith疲勞曲線如圖4所示。其中,σ為疲勞極限應(yīng)力，σmean為平均應(yīng)力。

圖4 Q345E材料的Goodman-Smith疲勞曲線

對(duì)模擬運(yùn)營(yíng)工況下的隨動(dòng)裝置各部件進(jìn)行考察，計(jì)算結(jié)果表明移動(dòng)塊最容易出現(xiàn)疲勞失效。移動(dòng)塊各節(jié)點(diǎn)在Goodman-Smith圖中的位置如圖5所示。分析結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)212086的疲勞強(qiáng)度最薄弱，節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)為1.01。因此，隨動(dòng)裝置疲勞強(qiáng)度滿足要求。

圖5 移動(dòng)塊節(jié)點(diǎn)應(yīng)力特征

5 結(jié)語

本文參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13749∶2011，制定了可變軌距轉(zhuǎn)向架制動(dòng)夾鉗隨動(dòng)裝置的載荷工況，并利用有限元軟件ANSYS計(jì)算了該隨動(dòng)裝置的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。結(jié)果表明：在依據(jù)BS EN 13749∶2011 “Railway application-Methods of specifying structural requirements of bogie frames”確定的計(jì)算載荷工況下，隨動(dòng)裝置的靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠確保車輛順利變軌距和安全運(yùn)行。