HXN3型機(jī)車掃石器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析與研究

劉 庸,曲天威,周元偉

(中國(guó)北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司,遼寧大連116022)

機(jī)車轉(zhuǎn)向架上的懸臂結(jié)構(gòu)有很多,其中包括撒沙支架、掃石器支架、車梯支架等,基本都是焊接結(jié)構(gòu)或者是由緊固件連接到構(gòu)架上,由于機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)受到來(lái)自各個(gè)方向的振動(dòng),所以這種懸臂結(jié)構(gòu)一旦在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上忽視,很容易形成安全隱患。所以,對(duì)此類結(jié)構(gòu)務(wù)必要引起足夠重視,在設(shè)計(jì)之初,就要充分考慮到各種因素,將危險(xiǎn)系數(shù)降到最低,以滿足我國(guó)現(xiàn)代化高速重載機(jī)車的要求。

在近些年的機(jī)車引進(jìn)項(xiàng)目中,掃石器支架作為轉(zhuǎn)向架上的重要組成部件,在有些機(jī)車上也設(shè)計(jì)成了一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu),而安裝此類結(jié)構(gòu)的機(jī)車要么在試驗(yàn)階段就因?yàn)閯?dòng)應(yīng)力超標(biāo)而無(wú)法通過(guò)試驗(yàn);要么就是在投入運(yùn)用之后,出現(xiàn)裂紋,威脅行車安全。針對(duì)HXN3型機(jī)車掃石器支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn),對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入探討和研究,以總結(jié)出對(duì)于類似結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

1 HXN3型機(jī)車掃石器支架的原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1,HXN3型機(jī)車掃石器支架上集成了輪緣潤(rùn)滑安裝座、撒沙支架以及橡膠掃石板等部件。掃石器支架上部為一個(gè)法蘭座,通過(guò)4個(gè)安裝螺栓連接到構(gòu)架的前端部,法蘭座下部與一個(gè)直徑為89 mm厚的鋼管,通過(guò)間隙配合,對(duì)接焊在一起,鋼管中間部位焊接了一個(gè)輪緣潤(rùn)滑的安裝板,下部安裝了橡膠掃石板和撒沙支管,整個(gè)掃石器支架的質(zhì)量約為28.3 kg。

1.2 動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)

動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果顯示,法蘭座與鋼管的對(duì)接焊縫處動(dòng)應(yīng)力過(guò)高,根據(jù)Miner線性累計(jì)損傷理論計(jì)算,測(cè)得的等效應(yīng)力的計(jì)算值為114.17 MPa,高于經(jīng)打磨、加磁粉探傷的焊縫處99 MPa的限度值,疲勞壽命不能夠滿足機(jī)車的使用要求。

1.3 有限元計(jì)算分析

對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析,用于確定整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平,在焊接連接部位處細(xì)化有限元網(wǎng)格以達(dá)到精確計(jì)算應(yīng)力的目的,如圖2所示。

參照英國(guó)GMRT 2100標(biāo)準(zhǔn)確定載荷工況。表1列出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的轉(zhuǎn)向架安裝配件結(jié)構(gòu)的慣性力規(guī)范值。

圖1 原始結(jié)構(gòu)掃石器支架的三維模型

圖2 掃石器支架 有限元模型

表1 轉(zhuǎn)向架安裝配件結(jié)構(gòu)的慣性力規(guī)范值

圖3顯示在20 g垂向力作用下的應(yīng)力分布。靜強(qiáng)度的有限元計(jì)算結(jié)果顯示,在對(duì)接焊縫處問(wèn)題應(yīng)力最大,根據(jù)計(jì)算結(jié)果將掃石器支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),以減少對(duì)接焊縫處的應(yīng)力。

2 HXN3型機(jī)車掃石器支架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過(guò)渡改進(jìn)方案

通過(guò)對(duì)原始結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果的分析,改進(jìn)了法蘭座與鋼管之間的配合,將原來(lái)的間隙配合改為過(guò)渡配合,同時(shí)在鋼管端部以下23 mm處增加了6個(gè)塞焊孔,對(duì)接焊縫及塞焊處均要求打磨及磁粉探傷以提高許用應(yīng)力,如圖4。改進(jìn)的主要目的就是要將對(duì)接處的焊接應(yīng)力分散到法蘭座與鋼管配合的整個(gè)區(qū)域,因?yàn)樵谂浜蠀^(qū)域下端的接觸區(qū)域?qū)⒊袚?dān)一部分載荷,從而使對(duì)接處的等效應(yīng)力下降到評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的限度值以下,以滿足疲勞壽命的要求。

圖3 計(jì)算應(yīng)力分布

2.1 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算

圖5、圖6為20 g垂向力作用下改進(jìn)方案的應(yīng)力分布狀況,該圖顯示對(duì)接焊縫處應(yīng)力降至15 MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在母材,幅值為25 MPa。焊接處最大應(yīng)力出現(xiàn)在塞焊處,幅值為22 MPa,靜強(qiáng)度的有限元分析結(jié)果顯示掃石器支架改進(jìn)方案可以有效改善應(yīng)力水平。

圖6 修改方案應(yīng)力 分布(局部)

2.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第2次的動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn),應(yīng)變片的分布如圖7所示,其中測(cè)點(diǎn)SG801為對(duì)接焊縫區(qū)域,測(cè)點(diǎn)SG802為塞焊區(qū)域。

將動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果整理后,得出測(cè)點(diǎn)SG801等效應(yīng)力幅為48.3 MPa,相對(duì)于之前的動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果114 MPa降低較多;測(cè)點(diǎn)SG802(接近塞焊點(diǎn))等效應(yīng)力幅為94.5 MPa,低于磁粉探傷加打磨焊縫處99 MPa的極限值,滿足了疲勞壽命的要求,通過(guò)了動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn),最終用于裝車使用。

2.3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的裝車運(yùn)用情況

雖然改進(jìn)結(jié)構(gòu)通過(guò)了動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn),但此種結(jié)構(gòu)對(duì)于工藝質(zhì)量的要求很高,不利于掃石器支架及機(jī)車的批量生產(chǎn)。由于難以保證工藝質(zhì)量,此種結(jié)構(gòu)的掃石器支架在隨后的機(jī)車運(yùn)用過(guò)程中,掃石器支架的塞焊處出現(xiàn)了裂紋(見(jiàn)圖8)。

圖7 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)

圖8 機(jī)車掃石器的裂紋

3 HXN3型機(jī)車掃石器支架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的最終改進(jìn)方案

為了從根本上解決掃石器支架的安全隱患問(wèn)題,我們對(duì)掃石器結(jié)構(gòu)作了最終的改進(jìn)。設(shè)計(jì)改進(jìn)的總體思路是將一個(gè)完全剛性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)成一個(gè)剛?cè)峤Y(jié)合的結(jié)構(gòu),通過(guò)整體結(jié)構(gòu)的彈性變形將機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中來(lái)自各個(gè)方向的振動(dòng)能量釋放掉,避免應(yīng)力集中,從而保證掃石器的使用壽命。經(jīng)過(guò)討論和研究之后,最終的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案如圖9所示。

最終方案的掃石器結(jié)構(gòu)上半部分是由兩個(gè)U型結(jié)構(gòu)的鋼板折彎壓型之后,用防松螺栓連接在一起;下部是一個(gè)Z型的鋼板折彎而成,折彎處前后共焊接有3塊筋板,3塊筋板的幾何形狀經(jīng)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì),使其實(shí)現(xiàn)等剛度和等強(qiáng)度;整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比之前的結(jié)構(gòu)要輕,結(jié)構(gòu)具有一定的彈性,符合設(shè)計(jì)之初彈性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路;而整個(gè)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在整體上部高應(yīng)力區(qū)域沒(méi)有焊接件,從而完全避免了焊接質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)整個(gè)掃石器支架的結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)便,符合大批量生產(chǎn)的要求。

3.1 最終改進(jìn)結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算

對(duì)最終改進(jìn)結(jié)構(gòu)的掃石器進(jìn)行了有限元計(jì)算,載荷工況采用了英國(guó)GMRT 2100標(biāo)準(zhǔn),表2為各種載荷工況下有限元計(jì)算應(yīng)力值以及Q345鋼材的應(yīng)力限度值。

在各個(gè)工況條件下,垂向±10 g的疲勞工況最為惡劣,詳見(jiàn)10 g垂向工況下應(yīng)力分布圖。

最終的有限元計(jì)算結(jié)果表明:

(1)10 g垂向疲勞載荷工況出現(xiàn)在U型上下支架的最大應(yīng)力值分別為73 MPa和122 MPa,低于疲勞工況母材的127 MPa限定值。

圖9 掃石器的最終改進(jìn)方案

圖10 10 g垂向載荷U型支架 應(yīng)力分布

圖11 前、后轉(zhuǎn)向架掃石器的 動(dòng)應(yīng)力貼片布置圖

表2 掃石器方案有限元計(jì)算結(jié)果 MPa

(2)10 g垂向疲勞載荷工況出現(xiàn)在Z型板的最大應(yīng)力值為76 MPa,低于疲勞工況打磨焊縫的99 MPa極限值。

(3)其他工況計(jì)算應(yīng)力水平均低于限定值并有較大裕量。

3.2 最終改進(jìn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證最終改進(jìn)結(jié)構(gòu)的可行性,進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn),通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元分析計(jì)算,對(duì)結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力點(diǎn)區(qū)域、焊縫區(qū)域以及其他重要區(qū)域進(jìn)行貼片,應(yīng)變片的布置如圖11所示。

此次的動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)選在京通線的通遼到赤峰區(qū)段,線路全長(zhǎng)350余km,測(cè)試機(jī)車為HXN3 0021號(hào),被試機(jī)車前、后兩個(gè)轉(zhuǎn)向架掃石器的動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)最大等效應(yīng)力幅出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)S8,等效應(yīng)力幅值為105.7 MPa,小于材料母材等效應(yīng)力幅評(píng)定疲勞許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)127 MPa;焊縫處測(cè)點(diǎn)S5的等效應(yīng)力幅值為40.8 MPa,小于材料焊縫區(qū)等效應(yīng)力幅評(píng)定疲勞許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)99 MPa。試驗(yàn)最終結(jié)論:

(1)掃石器安裝支架實(shí)測(cè)最大應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)其材料相對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力值;

(2)掃石器安裝支架各動(dòng)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的等效應(yīng)力幅均沒(méi)有超過(guò)疲勞許用應(yīng)力;

(3)掃石器安裝支架各動(dòng)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的疲勞壽命估計(jì)值均大于600萬(wàn)km。

通過(guò)此次試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了最終改進(jìn)結(jié)構(gòu)的掃石器支架能夠滿足機(jī)車的整體運(yùn)用要求,徹底解決了因掃石器支架而帶來(lái)的安全隱患問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)HXN3機(jī)車掃石器結(jié)構(gòu)改進(jìn)過(guò)程的分析和研究,可以得出如下結(jié)論:

(1)在機(jī)車運(yùn)用過(guò)程中,轉(zhuǎn)向架上各個(gè)部件所受到的振動(dòng)會(huì)很大,類似于掃石器這樣的懸臂結(jié)構(gòu)在與構(gòu)架連接處的根部會(huì)形成很高的應(yīng)力集中,在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該考慮如何將這部分應(yīng)力分散到整個(gè)結(jié)構(gòu),使之形成一個(gè)趨近于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

(2)掃石器這種連接在構(gòu)架上的懸臂結(jié)構(gòu),要么是“剛性”設(shè)計(jì),要么就是一種“柔性”設(shè)計(jì)。懸臂結(jié)構(gòu)的根部受力狀況最為惡劣,如果是“剛性”設(shè)計(jì),就要加大懸臂結(jié)構(gòu)的根部強(qiáng)度,保證根部具有足夠的剛度來(lái)應(yīng)對(duì)應(yīng)力集中的狀況;而“柔性”設(shè)計(jì)的理念就是通過(guò)結(jié)構(gòu)的變形來(lái)吸收和釋放能量,保證結(jié)構(gòu)的使用壽命,HXD3機(jī)車以及HXN3機(jī)車的掃石器均為此類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),運(yùn)用情況都很好。

(3)懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量也是一個(gè)很重要的因素,因?yàn)樵诋a(chǎn)生振動(dòng)加速度的時(shí)候,質(zhì)量越大所受到的沖擊載荷越大,因此,設(shè)計(jì)之初,要盡量減輕整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

(4)對(duì)于焊接筋板的優(yōu)化。如果懸臂結(jié)構(gòu)中有加強(qiáng)筋,則一定要盡量?jī)?yōu)化筋板的形狀,因?yàn)榻畎宓男螤顚⒅苯佑绊懙胶缚p區(qū)域的應(yīng)力狀況,良好的筋板形狀能夠很好的降低焊縫處的應(yīng)力集中。

(5)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許的前提下,可以將構(gòu)架的前端梁盡量布置的低一些,這樣就可以避免諸如掃石器這樣的結(jié)構(gòu)在安裝到構(gòu)架上時(shí),需要較長(zhǎng)的懸臂,也就是從構(gòu)架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上來(lái)想辦法解決此類設(shè)計(jì)問(wèn)題。

(6)安全防護(hù)。掃石器這樣的懸臂結(jié)構(gòu)一般均安裝在構(gòu)架的前端部位,一旦脫落將有可能造成機(jī)車脫軌等嚴(yán)重后果,因此,在設(shè)計(jì)之初也要充分考慮到安全防護(hù),防止因此類結(jié)構(gòu)失效時(shí),發(fā)生脫落的危險(xiǎn)。

[1] Railway Group Standard GM/RT2100 Structural Requirements for Railway Vehicles.

[2] Miner M A.Cumulative damage in fatigue[J].J Appl Mesh,1945,12(3):A159-A164.