李 威，蔡世超，蘇硯幫

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266031)

鐵路貨車心盤作為關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞直接影響車輛運行性能及運輸安全。貨車的上下心盤接觸面為平面，車體的垂向載荷通過心盤平面?zhèn)鞯睫D(zhuǎn)向架上，縱向、橫向載荷由下心盤四周凸緣傳遞。目前，對于鐵路貨車上心盤考核的主要依據(jù)是TB/T 3011—2001《鐵道通用貨車上心盤疲勞試驗及評定方法》、TB/T 46—2015《鐵道車輛心盤》，標(biāo)準(zhǔn)要求對鐵路貨車鍛造上心盤進(jìn)行600萬次疲勞試驗。

1 原心盤試驗裝置及存在問題

圖1是滿足TB/T 3011—2001規(guī)定的原心盤試驗裝置結(jié)構(gòu)。為了保障試驗的穩(wěn)定性，利用原心盤疲勞試驗裝置試驗時將上心盤試樣和中枕梁結(jié)點部件一起反扣在基座上。同時，為模擬上心盤承載惡劣的側(cè)滾工況，通過加墊板的方式將中枕梁結(jié)點部件與基座水平面成1.6°的夾角，該夾角與車輛側(cè)滾時上下心盤的最大傾角相等。平衡架分別連接支撐架、疲勞試驗設(shè)備動力壓頭和下心盤，保證下心盤在試驗時保持水平。

S.上心盤偏移量(由上心盤直徑及斜削棱線確定)。

原心盤試驗裝置是依據(jù)TB/T 3011—2001設(shè)計的，已使用了多年，這期間我國鐵路貨車轉(zhuǎn)向架有了長足的發(fā)展，相繼研發(fā)了轉(zhuǎn)8G、轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K6、DZ1、DZ2、DZ5型等多型號轉(zhuǎn)向架，軸重從21 t也逐漸增加到25 t、27 t和30 t等，單一規(guī)格的試驗裝置已經(jīng)滿足不了多種型號轉(zhuǎn)向架心盤疲勞試驗的需求，而如果針對每一型號心盤均設(shè)計、制造特定的試驗裝置，制造成本、管理成本太高。目前原心盤試驗裝置存在的問題有：

(1) 基座和中枕梁結(jié)點部件體積和質(zhì)量大，制造費用高，管理成本和存儲成本也相對較高；

(2) 支撐架和平衡架穩(wěn)定性較差，試驗加載頻率超過3 Hz后容易失穩(wěn)，因此試驗中加載頻率一般無法超過3 Hz，單件心盤疲勞試驗就需要23天，試驗效率低。

2 改進(jìn)型心盤疲勞試驗裝置

目前常用鐵路貨車轉(zhuǎn)向架心盤尺寸見圖2和表1。

圖2 上心盤產(chǎn)品尺寸示意圖

表1 常用鐵路貨車上心盤尺寸

2.1 設(shè)計方案

針對原試驗裝置存在的問題，本著通用化、模塊化、精益化的試驗工裝設(shè)計理念，以改善不良狀況為目標(biāo)，設(shè)計制造了改進(jìn)型心盤試驗裝置，如圖3和圖4所示。與原試驗裝置相比，改進(jìn)型試驗裝置去除了中枕梁結(jié)點部件，將上心盤試樣直接與基座相連，基座上表面直接機加工出1.6°角的斜面。下心盤與平衡板連接，平衡板開多個連接孔，可適用目前所有型號下心盤。將原有支撐架、平衡架的模式改成垂向?qū)е又本€軸承的配合模式，使試驗過程中施加載荷時下心盤保持水平。

圖3 改進(jìn)型心盤試驗裝置結(jié)構(gòu)

圖4 改進(jìn)型心盤試驗裝置三維圖

2.2 優(yōu)點分析

(1) 對目前常用鐵路貨車心盤尺寸進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用通用化、模塊化設(shè)計，平衡板裝置適合多型號的產(chǎn)品。

(2) 采用輕量化、簡易化設(shè)計，去除了原試驗裝置中的中枕梁結(jié)點部件、支撐架，大幅簡化基座部件。

(3) 直接將基座上表面與水平面夾角設(shè)計為1.6°，與通過墊板調(diào)整為1.6°的方式相比，試件安裝更加便捷，加載穩(wěn)定性更好。平衡板、直線軸承、導(dǎo)柱可保證試驗過程中下心盤處于水平狀態(tài)，穩(wěn)定性更好。

(4) 加載頻率可滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3～8 Hz的要求。

(5) 參照表1列出的目前常用的8種規(guī)格上心盤，以每年各型號規(guī)格僅試驗1件為例，如果使用原心盤試驗裝置進(jìn)行心盤試驗，需設(shè)計多套支撐架、平衡架，試驗周期為184天。而使用改進(jìn)型心盤試驗裝置只需設(shè)計1套平衡板裝置、垂向?qū)е?，按照?biāo)準(zhǔn)中要求的最高加載頻率8 Hz計算，試驗周期最短只需70天，大幅降低了工裝制造費用，提高了試驗效率。

3 試驗

3.1 靜強度試驗

3.1.1 試驗載荷及試驗方法

由于到目前為止貨車上心盤的靜強度試驗還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可參考，靜強度試驗施加的載荷采用以往的試驗載荷，載荷值分別為108 kN、484 kN、578 kN、618 kN。以23 t軸重貨車上心盤為例，靜強度試驗共有24個測點，如圖5所示。

圖5 靜強度試驗測點布置圖

原有試驗裝置和新試驗裝置的試驗心盤放置和載荷施加情況分別見圖1和圖3。靜強度試驗時，心盤安裝面朝下放在專用試驗工裝上，心盤與工裝之間加一定厚度的墊片。工裝連同心盤一起傾斜1.6°。下心盤反扣在上心盤上，水平放置，載荷加在下心盤上，其作用線為上心盤的削斜棱線，以模擬心盤在車體側(cè)滾時的受力狀態(tài)，并測定應(yīng)變分布情況。為了模擬上心盤安裝平面的不平度，試驗中在上心盤安裝接觸面加75 mm×40 mm×1.5 mm的鋼質(zhì)墊片，墊片硬度不低于160 HBS。

3.1.2 試驗結(jié)果對比分析

靜強度試驗的應(yīng)變較大測點分別發(fā)生在測點7、8、11、12、18、24，2種試驗裝置加裝厚度為1.5 mm墊片后各測點應(yīng)變見表2。由表2可以看出，原試驗裝置測得的靜強度最大值出現(xiàn)在測點7，其應(yīng)變值為2 167×10-6，改進(jìn)型試驗裝置測得的靜強度最大值仍出現(xiàn)在測點7，其應(yīng)變值為2 104 ×10-6。2種試驗裝置的靜強度試驗結(jié)果表明，各應(yīng)力測點的應(yīng)變值和應(yīng)變分布趨勢基本一致。

表2 2種心盤疲勞試驗裝置靜強度試驗結(jié)果對比 ×10-6

3.2 疲勞試驗

3.2.1 試驗方法及計算公式

TB/T 3011—2001規(guī)定，疲勞試驗時，試驗裝置應(yīng)能模擬貨車上心盤在運行時車體側(cè)滾狀態(tài)下的受力情況；動力壓頭與心盤中心應(yīng)根據(jù)相應(yīng)試件規(guī)格偏移相應(yīng)距離，使載荷作用在削斜棱線上；為了模擬上心盤安裝平面的不平度，試驗中在上心盤的安裝接觸面加75 mm×40 mm×1 mm的鋼質(zhì)墊片，墊片硬度不低于160 HBS；載荷加載位置同靜強度試驗，疲勞加載波形為正弦波，加載頻率為3～8 Hz；要求鍛鋼上心盤試驗循環(huán)次數(shù)達(dá)到600萬次；試驗時，每進(jìn)行一定循環(huán)次數(shù)后，停機檢查試件狀況。

試驗載荷平均值Pa計算公式為：

Pa=(n×G-H)×g

(1)

式中：n——一臺轉(zhuǎn)向架的軸數(shù)；

G——軸重；

H——一臺轉(zhuǎn)向架的自重；

g——重力加速度。

利用式(1)可以得出應(yīng)力循環(huán)特征r=Pmin/Pmax=0.22。

3.2.2 試驗結(jié)果

改進(jìn)型試驗裝置進(jìn)行疲勞試驗后被試件的狀態(tài)見圖6，圖6中的發(fā)亮部位為疲勞試驗中的載荷施加位置，基本是在上心盤的削斜棱線上，表明新試驗裝置的疲勞試驗加載受力位置及狀態(tài)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 疲勞試驗后被試件狀態(tài)

4 結(jié)束語

綜上所述，采用改進(jìn)型心盤試驗裝置進(jìn)行心盤試驗，不但滿足標(biāo)準(zhǔn)中對疲勞試驗的各項要求，而且加載產(chǎn)生應(yīng)力趨勢基本符合原試驗裝置試驗結(jié)果，同時改進(jìn)型心盤試驗裝置做到了通用化、模塊化設(shè)計，具有輕量化和簡易化的優(yōu)點，因此，改進(jìn)型心盤試驗裝置在滿足TB/T 3011—2001的要求基礎(chǔ)上較大地提升了試驗效率，降低了試驗成本，節(jié)約了試驗資源，建議在未來心盤標(biāo)準(zhǔn)修訂時納入。