常 邦 燦

(中鐵特貨物流股份有限公司 裝備部，北京 100055)

鐵路長大貨物車是供運(yùn)輸質(zhì)量特大或體積特大的貨物的車輛，其載重大，運(yùn)行速度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所運(yùn)輸?shù)呢浳锞鶠閲抑攸c(diǎn)工程項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備，若發(fā)生列車燃軸切軸等事故，必將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。為保證長大貨物車運(yùn)輸安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱軸，防止熱切軸事故的發(fā)生，應(yīng)對(duì)長大貨物車進(jìn)行適應(yīng)THDS軸溫探測技術(shù)的研究，以滿足長大貨物車軸溫檢測的要求。

1 THDS探測原理及技術(shù)要求

車輛THDS軸溫探測系統(tǒng)是利用軌邊紅外線高速探頭和智能跟蹤裝置，在列車運(yùn)行狀態(tài)下自動(dòng)計(jì)軸計(jì)輛，測量軸承溫度，預(yù)警故障熱軸，實(shí)時(shí)檢測運(yùn)行鐵路貨車的軸承溫度并進(jìn)行跟蹤報(bào)警，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵路貨車熱軸，防止熱切軸事故的發(fā)生起到了非常重要的作用。

THDS探測系統(tǒng)按探測角度分為內(nèi)探和外探2種。內(nèi)探是通過內(nèi)側(cè)紅外線傳感器(簡稱探頭)探測軸承中底部溫度；而外探則是通過外側(cè)探頭探測軸承端部溫度。軸溫探測示意圖如圖1所示，設(shè)備在軌邊的安裝位置和探測邊界示意圖如圖2所示。

圖1 軸溫探測示意圖

根據(jù)探頭在軌邊的安裝位置、探頭角度及輪對(duì)組成尺寸，確定了適應(yīng)內(nèi)探和外探的技術(shù)要求如下：

(1) 裝用D級(jí)軸承，軸心距彈簧承載座下平面212 mm的軸箱，最小開孔角度應(yīng)不小于85°；裝用E級(jí)、AAR F 級(jí)、AAR K級(jí)軸承，軸心距彈簧承載座下平面200 mm的軸箱，最小開孔角度應(yīng)不小于78°。軸箱體開孔寬度應(yīng)不小于122 mm。

(2) 距軌面高295 mm，輪對(duì)兩軸箱體外側(cè)距離不大于2 181 mm。

2 長大貨物車軸箱對(duì)THDS適應(yīng)性分析

截至2017年底，中鐵特貨物流股份有限公司配屬長大貨物車共計(jì)33種車型，各車型的轉(zhuǎn)向架及軸箱結(jié)構(gòu)各不相同，具體如下：

(1) D17A、D12、D26A、D12K、D26AK、D15A和DK17A共7種車型，分別裝用轉(zhuǎn)K1型、轉(zhuǎn)8AG型、轉(zhuǎn)K2型、轉(zhuǎn)K6型通用貨車轉(zhuǎn)向架，采用承載鞍結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)THDS軸溫內(nèi)探和外探要求。

(2) D10A型凹底平車、D38型鉗夾車和D30G型雙聯(lián)平車在距軌面高295 mm處輪對(duì)兩軸箱體外側(cè)距離為2 148 mm(<2 181mm)，能夠適應(yīng)THDS軸溫外探要求。雖然這3種車型軸箱下部被遮擋，不能適應(yīng)內(nèi)探要求，但也能達(dá)到軸溫監(jiān)測的目的，可不進(jìn)行改造。

(3) DQ45、DA37、D45等共23種車型采用焊接構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，采用一系軸箱彈簧懸掛和導(dǎo)框式軸箱定位，因軸箱下部封閉(圖3)，不能適應(yīng)內(nèi)探要求；在距軌面高295 mm處，輪對(duì)兩軸箱體或下均衡梁外側(cè)距離大于2 181 mm，也不能適應(yīng)外探要求。因此該軸箱需經(jīng)過改造才能適應(yīng)THDS軸溫探測要求。

圖3 現(xiàn)車軸箱結(jié)構(gòu)

根據(jù)投資回報(bào)率的分析研究結(jié)果，研制年代較早、技術(shù)落后、已達(dá)到或接近報(bào)廢期的D70、D15、D2、D23G、D10、D2G、D18A及D25A共8種車型88輛車不再進(jìn)行改造；而2000年以后研制的D9A、DA21、DA25、DA26、D32、D32A、DA37、DK23、DK36A、DK36、D45、D22A、D22B、DQ35、DQ45共15種車型81輛車則需要進(jìn)行軸箱適應(yīng)THDS軸溫探測要求的改造。

3 改造方案的確定

軸箱適應(yīng)THDS軸溫探測要求的改造方案有2種：一種是對(duì)現(xiàn)車軸箱進(jìn)行改造以適應(yīng)內(nèi)探或外探要求；另一種是研制新軸箱，使其符合THDS軸溫探測要求，同時(shí)滿足與現(xiàn)車軸箱的互換要求。不論采取哪種方案，軸箱性能必須滿足TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求。

3.1 現(xiàn)車軸箱的改造

現(xiàn)車軸箱改造方案分為在箱體下部開孔以適應(yīng)內(nèi)探或?qū)⑤S箱體外部擋邊或下均衡梁減小以適應(yīng)外探。

以DK36型落下孔車為例，按內(nèi)探要求對(duì)軸箱體下部開探測孔。經(jīng)有限元計(jì)算，最大應(yīng)力為167 MPa，超過B級(jí)鋼許用應(yīng)力(150 MPa)，不滿足TB/T 1335—1996標(biāo)準(zhǔn)要求，因此現(xiàn)車軸箱無法通過改造滿足內(nèi)探要求。軸箱體底部開孔三維模型及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 軸箱體底部開孔三維模型及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

按外探要求，將DK36型落下孔車現(xiàn)車軸箱中心夾角為85°范圍的下部寬度單側(cè)去掉22 mm，使軸箱體下部寬度縮小，如圖5所示。經(jīng)有限元計(jì)算，改造后的軸箱最大應(yīng)力與現(xiàn)車軸箱相比略有增加，由122 MPa變?yōu)?24 MPa，滿足TB/T 1335—1996標(biāo)準(zhǔn)要求。但與原軸箱相比，由于兩側(cè)主筋板切穿，產(chǎn)生了截面突變，且軸箱改造加工工藝復(fù)雜，另外現(xiàn)車軸箱經(jīng)長時(shí)間使用后存在一定的損傷積累。因此，考慮到現(xiàn)車軸箱通過改造適應(yīng)外探要求的方案存在安全風(fēng)險(xiǎn)，不宜采用。

圖5 DK36型落下孔車軸箱體改造示意圖

3.2 研制新軸箱方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

在適應(yīng)轉(zhuǎn)向架彈性懸掛系統(tǒng)的前提下，采用B+級(jí)鋼，按THDS的內(nèi)探要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)軸箱開孔如圖6所示。

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)軸箱開孔示意圖

以DA21型凹底平車為例，對(duì)研制的新軸箱進(jìn)行了有限元計(jì)算，應(yīng)力云圖見圖7。最大應(yīng)力發(fā)生在軸箱斜拉筋處，應(yīng)力為92.8 MPa，小于B+級(jí)鋼許用應(yīng)力(151 MPa)，強(qiáng)度滿足TB/T 1335—1996標(biāo)準(zhǔn)要求。為便于與現(xiàn)車軸箱對(duì)比分析，對(duì)現(xiàn)車軸箱進(jìn)行了有限元計(jì)算，應(yīng)力云圖見圖8。計(jì)算結(jié)果表明，研制的新軸箱應(yīng)力水平與現(xiàn)車軸箱相當(dāng)。

圖7 研制的新軸箱應(yīng)力云圖

圖8 現(xiàn)車軸箱應(yīng)力云圖

對(duì)新研制的軸箱進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在各類載荷工況下，軸箱應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力；經(jīng)15萬次載荷循環(huán)，軸箱無裂紋。軸箱強(qiáng)度符合TB/T 1335—1996標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 裝車驗(yàn)證

長大貨物車軸箱適應(yīng)紅外軸溫探測圖樣獲得中國國家鐵路集團(tuán)有限公司機(jī)輛部批復(fù)后，2018年在新造的DA21型凹底平車、D22B型長大平車上進(jìn)行了新軸箱的裝車運(yùn)用。2019年，結(jié)合廠修、段修對(duì)DK36A、DQ45、D22A等36輛既有長大貨物車的軸箱進(jìn)行了換裝。經(jīng)過跟蹤調(diào)查，裝用新軸箱的長大貨物車在運(yùn)行過程中能夠利用THDS進(jìn)行軸溫監(jiān)測(圖9)。

圖9 運(yùn)行列車軸承溫度探測截圖

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)既有鐵路長大貨物車裝用軸箱的分析，針對(duì)可使用年限較長、技術(shù)較為先進(jìn)但不適應(yīng)THDS軸溫探測的15種新型長大貨物車軸箱，提出了現(xiàn)車軸箱改造和研制新軸箱2種方案，分析論證表明，研制新軸箱方案切實(shí)可行。有限元計(jì)算、強(qiáng)度試驗(yàn)和裝車驗(yàn)證結(jié)果表明，研制的新軸箱可以滿足THDS軸溫探測要求，達(dá)到了長大貨物車預(yù)警熱軸，防止燃切軸事故發(fā)生的目的，確保了長大貨物車的運(yùn)輸安全。