于鵬 張繼堯

（中車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)有限公司 山東青島 266031）

本文提出的緊湊式車(chē)鉤托梁裝置是針對(duì)出口美國(guó)費(fèi)城的雙層不銹鋼客車(chē)研制的。美國(guó)費(fèi)城項(xiàng)目雙層不銹鋼客車(chē)使用H型密接車(chē)鉤（見(jiàn)圖1），車(chē)鉤托梁主要起到支撐車(chē)鉤的作用，同時(shí)，車(chē)鉤托梁可以滿(mǎn)足車(chē)鉤水平及垂向擺動(dòng)要求。目前，國(guó)內(nèi)外常用的車(chē)鉤托梁裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、外形笨重。本項(xiàng)目提供的車(chē)鉤托梁裝置需滿(mǎn)足美國(guó)AWS 焊接標(biāo)準(zhǔn)，操作需滿(mǎn)足AAR 及APTA 操作規(guī)程，是首次出口美國(guó)的車(chē)鉤托梁裝置，對(duì)強(qiáng)度及重量要求高，設(shè)計(jì)難度大。

圖1 H型車(chē)鉤及托梁裝置結(jié)構(gòu)

首先，針對(duì)美國(guó)費(fèi)城雙層客車(chē)車(chē)鉤托梁的技術(shù)需求，提出可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求的結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)支撐彈簧、關(guān)鍵零部件材料進(jìn)行選型。其次，對(duì)關(guān)鍵零部件的加工、鑄造及組裝工藝進(jìn)行分析及定型。再次，采用相關(guān)軟件對(duì)托梁進(jìn)行功能校核，對(duì)設(shè)計(jì)方案的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。最后，對(duì)試制樣機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度、性能等驗(yàn)證。

1 車(chē)鉤托梁裝置基本性能要求

根據(jù)出口美國(guó)費(fèi)城雙層客車(chē)車(chē)鉤托梁技術(shù)規(guī)范要求，車(chē)鉤托梁需滿(mǎn)足如下技術(shù)條件。

（1）車(chē)鉤托梁需帶有彈簧，兩端設(shè)有止擋。

（2）車(chē)鉤托梁如采用焊接方式，需滿(mǎn)足AWS 焊接標(biāo)準(zhǔn)。

（3）需適應(yīng)車(chē)體接口，側(cè)面或頂面連接。

（4）車(chē)鉤托梁可承載車(chē)鉤正常水平位置的100000磅（約45360kg）車(chē)鉤柄垂直向下的推力，且不會(huì)造成永久變形。

（5）車(chē)鉤托梁應(yīng)滿(mǎn)足車(chē)鉤水平擺動(dòng)±26°、垂向擺角±5°。

（6）車(chē)鉤托梁裝置重量應(yīng)遵循輕量化原則，整體重量不超過(guò)40kg。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

2.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)條件要求，車(chē)鉤托梁采用彈簧支撐方式。為滿(mǎn)足車(chē)鉤托梁高強(qiáng)度、輕量化的要求，考慮上、下支撐的加強(qiáng)筋同時(shí)作為導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，整體使用盒狀結(jié)構(gòu)。在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，各零件通過(guò)打孔等方式進(jìn)行減重設(shè)計(jì)［1］，設(shè)計(jì)重量約36kg。

車(chē)鉤托梁裝置主要由上支撐、下支撐、彈簧、磨耗板和鎖塊等結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)兩側(cè)安裝孔用兩個(gè)螺栓與車(chē)體進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車(chē)鉤托梁裝置結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)中，上、下支撐均為盒狀鑄造結(jié)構(gòu)，能夠承受較高強(qiáng)度的載荷。上、下支撐及彈簧預(yù)壓后，通過(guò)鎖塊鎖定后，即可完成安裝，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)潔，安裝方便。其中，支撐彈簧位于托梁內(nèi)部，是主要的功能承載結(jié)構(gòu)，其彈性性能需滿(mǎn)足支撐車(chē)鉤的設(shè)計(jì)要求。初始狀態(tài)下，支撐彈簧通過(guò)彈性銷(xiāo)進(jìn)行預(yù)壓安裝，可以承載車(chē)鉤重量；在彈簧彈性變形范圍內(nèi)（初步設(shè)計(jì)彈簧行程31mm），托梁可以承載一定載荷；超過(guò)31mm 后，上支撐和下支撐底部接觸，強(qiáng)度應(yīng)能夠承載454kN 的力。上磨耗板的主要作用是減少車(chē)鉤移動(dòng)過(guò)程中托梁裝置和車(chē)鉤的磨損；側(cè)磨耗板位于上支撐的兩端，其作用是限制車(chē)鉤的擺動(dòng)范圍。同時(shí)，磨耗板可以減緩車(chē)鉤移動(dòng)過(guò)程中的碰撞和震動(dòng)。

2.2 彈簧選型設(shè)計(jì)

根據(jù)托梁的使用要求，車(chē)鉤重量按照250kg計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)方案，初步選取彈簧技術(shù)參數(shù)。

（1）旋向：左旋。

（2）長(zhǎng)度壓縮到100mm時(shí)，力值≥3200N。

（3）有效圈數(shù)n=7.25。

對(duì)彈簧進(jìn)行校核，根據(jù)胡克定律（F=kx），當(dāng)壓縮行程為62mm時(shí)，力為3200N。本裝置設(shè)計(jì)彈簧預(yù)壓行程31mm，彈簧力為1600N，托梁裝置選用4組彈簧進(jìn)行承載，其承載力為6400N，能夠支撐車(chē)鉤的重量及車(chē)輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊力，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 關(guān)鍵零部件材料選型

車(chē)鉤托梁裝置的上支撐和下支撐為主要承載受力件，材料選擇強(qiáng)度較高的鑄造合金鋼［2］，從而降低零件設(shè)計(jì)壁厚，實(shí)現(xiàn)輕量化要求。限位板上固定有側(cè)磨耗板，防止在車(chē)鉤擺動(dòng)的過(guò)程中鉤體和限位板之間發(fā)生碰撞磨損；上支撐上表面固定有磨耗板，防止車(chē)鉤擺動(dòng)時(shí)和托梁之間產(chǎn)生摩擦損耗。上磨耗板及側(cè)磨耗板材料采用復(fù)合型耐磨材料，材料垂向壓縮強(qiáng)度可達(dá)到330MPa以上。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)校核

3.1 水平及垂向擺角校核

車(chē)鉤托梁應(yīng)能夠滿(mǎn)足車(chē)鉤水平方向擺動(dòng)±26°、垂向擺角±5°。根據(jù)車(chē)鉤托梁在車(chē)體的安裝位置及H 型車(chē)鉤的尺寸［3］，對(duì)車(chē)鉤托梁進(jìn)行校核。由圖3可以看出，車(chē)鉤水平擺動(dòng)時(shí)，車(chē)鉤托梁能夠滿(mǎn)足其擺動(dòng)，超過(guò)26°時(shí)，能夠?qū)?chē)鉤擺動(dòng)進(jìn)行限制。

圖3 車(chē)鉤水平擺角校核

車(chē)鉤垂向低頭時(shí)，校核最大擺角5°，車(chē)鉤轉(zhuǎn)動(dòng)中心到托梁中心長(zhǎng)度為318mm，彈簧此時(shí)的壓縮行程x=318×tan5°=27.8mm，彈簧的設(shè)計(jì)壓縮行程為31mm，因此，車(chē)鉤托梁在垂向上可以滿(mǎn)足車(chē)鉤擺動(dòng)要求。

3.2 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度計(jì)算

為保證車(chē)鉤托梁滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，對(duì)車(chē)鉤主要受力零部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，校核其強(qiáng)度是否能夠使用滿(mǎn)足要求，進(jìn)而對(duì)零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)［4］。

車(chē)鉤托梁承受455kN 的垂向力時(shí)，彈簧壓縮行程31mm，上支撐與下支撐接觸，主要受力零部件包括上支撐、下支撐。采用ANSYS Workbench 軟件對(duì)以上零部件進(jìn)行有限元分析，有限元模型根據(jù)零件實(shí)際尺寸建立，并對(duì)部分圓角、倒角等細(xì)節(jié)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，有限元網(wǎng)格離散為四面體單元［5］。根據(jù)車(chē)鉤托梁裝置的實(shí)際裝車(chē)狀態(tài)及所承受的載荷，對(duì)上、下支撐有限元模型施加邊界條件，計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖4所示。

由圖4的應(yīng)力云圖可知，上支撐在455kN 縱向靜壓載荷時(shí)，最大應(yīng)力為346.6MPa；下支撐在455kN縱向靜壓載荷時(shí)，最大應(yīng)力為543.3MPa。通過(guò)有限元分析可知，車(chē)鉤托梁裝置主要零部件在455kN 靜壓工況作用下的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度690MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 零件應(yīng)力云圖

4 試驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)研制產(chǎn)品的性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，樣機(jī)試制完成后，在中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司靜強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)車(chē)鉤托梁裝置進(jìn)行了承載功能試驗(yàn)和靜強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，具體試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）車(chē)鉤托梁承載功能試驗(yàn)。將組裝完成的費(fèi)城車(chē)鉤托梁安裝于專(zhuān)用工裝上（見(jiàn)圖5），模擬裝車(chē)狀態(tài)。用壓力機(jī)分別在托梁左側(cè)限位塊內(nèi)側(cè)和右側(cè)限位塊內(nèi)側(cè)施加載荷，加壓到7000N 左右時(shí)，托梁順利被壓動(dòng)，繼續(xù)施壓至上、下支撐接觸（彈簧到31mm行程），動(dòng)作過(guò)程流暢無(wú)卡滯，卸載后，托梁能夠順利回彈。

圖5 車(chē)鉤托梁試驗(yàn)安裝示意圖

試驗(yàn)時(shí)，車(chē)鉤托梁的狀態(tài)如圖6所示，本文只選取了在左側(cè)承載時(shí)的狀態(tài)。

圖6 車(chē)鉤托梁承載試驗(yàn)

（2）靜強(qiáng)度試驗(yàn)。對(duì)車(chē)鉤托梁進(jìn)行靜強(qiáng)度破壞試驗(yàn)，將組裝完成的費(fèi)城車(chē)鉤托梁安裝于專(zhuān)用工裝上（見(jiàn)圖7），模擬裝車(chē)狀態(tài)。用壓力機(jī)在托梁中間位置逐步施加載荷，直至托梁的上表面施加載荷至455kN，試驗(yàn)過(guò)程中，托梁未出現(xiàn)明顯屈服［6］，試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量尺寸，未發(fā)現(xiàn)屈服變形，圖8和圖9所示為車(chē)鉤托梁的試驗(yàn)狀況。

圖7 車(chē)鉤托梁靜強(qiáng)度試驗(yàn)示意

圖8 車(chē)鉤托梁在455kN靜壓時(shí)

圖9 車(chē)鉤托梁壓力卸載后

5 結(jié)論

對(duì)出口美國(guó)費(fèi)城的雙層客車(chē)的用車(chē)鉤托梁的設(shè)計(jì)、計(jì)算校核、試制、型式試驗(yàn)等研制工作進(jìn)行研究，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）車(chē)鉤托梁能夠滿(mǎn)足車(chē)鉤水平方向擺動(dòng)±26°、垂向擺角±5°的要求。

（2）車(chē)鉤托梁能夠滿(mǎn)足承載車(chē)鉤重量的設(shè)計(jì)要求。

（3）研制的車(chē)鉤托梁主要零部件在455kN 靜壓時(shí)未發(fā)生屈服，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（4）研制的車(chē)鉤托梁結(jié)構(gòu)緊湊、組裝維護(hù)簡(jiǎn)便，實(shí)測(cè)重量為37kg，滿(mǎn)足輕量化設(shè)計(jì)要求。

綜合上述分析可知，這一新型車(chē)鉤托梁符合各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強(qiáng)度高，能夠滿(mǎn)足出口客車(chē)的運(yùn)用需求，可在國(guó)內(nèi)外鐵路客車(chē)上推廣使用。