北京地鐵某B型車抗側(cè)滾扭桿裝置研制

王亞平 杜方孟 羅 斌 孫 偉 劉文松 程海濤 路 廣

(1.株洲時代新材料科技股份有限公司，510640，株洲;2.南車四方車輛有限公司，266000，青島∥第一作者，工程師)

地鐵B型車輛具有造價低、運營靈活等特點，在較多城市得到廣泛運用。為保證通過小半徑曲線的安全性，該型車輛普遍采用抗側(cè)滾扭桿裝置。株洲時代新材料科技股份有限公司受客戶委托，負責北京地鐵某B型車扭桿產(chǎn)品的開發(fā)，已用于北京地鐵房山線、15號線以及6號線的B型車輛。安裝在北京地鐵房山線B型車輛上的抗側(cè)滾扭桿裝置如圖1所示。

1 技術(shù)要求及運營環(huán)境

扭桿裝置與轉(zhuǎn)向架、車體之間的安裝及接口尺寸要求見圖2。北京地鐵某B型車的性能要求及運營環(huán)境見表1所示。

圖1 安裝在北京地鐵房山線車輛上的抗側(cè)滾扭桿裝置

圖2 北京地鐵某B型車扭桿接口尺寸要求

表1 北京地鐵某B型車的扭桿性能要求及運營環(huán)境

2 設(shè)計方案

2.1 方案結(jié)構(gòu)

針對北京地鐵某B型車輛的技術(shù)要求，選用了內(nèi)置式的扭桿結(jié)構(gòu)(見圖3)。此種結(jié)構(gòu)的扭桿支撐座組件通過螺栓固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架下端面，左右兩端的豎向連桿置于構(gòu)架的外側(cè)。

圖3 扭桿結(jié)構(gòu)

扭桿支撐座采用了上下支撐座加層狀支撐橡膠(見圖4)的形式。在車體側(cè)滾扭桿軸扭轉(zhuǎn)時，層狀支撐橡膠可通過其自身的扭轉(zhuǎn)變形適應(yīng)扭桿軸的扭轉(zhuǎn)運動。豎向連桿的上端采用橡膠節(jié)點，下端采用國外進口的金屬關(guān)節(jié)軸承。其優(yōu)點在于:金屬關(guān)節(jié)軸承的運動自由度較大，可適應(yīng)車體側(cè)滾時連桿下端節(jié)點產(chǎn)生的偏移、旋轉(zhuǎn)組合的復雜運動狀態(tài)。

圖4 層狀支撐橡膠

由于車體構(gòu)架的空間所限，為了避免在車體側(cè)滾時扭桿的運動與構(gòu)架其它部件發(fā)生運動干涉的情況，連桿下端的橫向空間需≤120 mm。因此，連接扭轉(zhuǎn)臂和連桿中金屬關(guān)節(jié)的錐銷采用了創(chuàng)新式的穿孔結(jié)構(gòu)，M20的法蘭面螺栓通過擰入錐銷中的螺紋孔以固定錐銷并連接扭轉(zhuǎn)臂(如圖5)。這種結(jié)構(gòu)將大大節(jié)約抗側(cè)滾扭桿裝置的安裝和運動空間。

圖5 連桿和扭轉(zhuǎn)臂的錐銷連接

2.2 工藝方案

零部件的選材借鑒以往項目經(jīng)驗［1］，扭桿軸材料采用EN 10089中的52CrMoV4彈簧鋼。這種鋼材具有高強度、高彈性的特點，已廣泛應(yīng)用于歐洲軌道交通車輛的扭桿中，端部鐓粗后進行加工。扭轉(zhuǎn)臂和豎向連桿采用模具鍛造毛坯后再機加工的方式，因上下支撐座應(yīng)力相對較低，故采用D級鋼的鑄造毛坯。

2.3 計算分析

抗側(cè)滾扭桿裝置的剛度是指在車體側(cè)滾時，扭桿提供的阻力矩與車體側(cè)滾角的比值。如當車體側(cè)滾角為α時，設(shè)豎直連桿上的作用力為N，則扭桿裝置對車體作用的力矩Tz為:

則扭桿裝置對于車體的扭轉(zhuǎn)剛度M2為:

其中扭桿軸的結(jié)構(gòu)是決定扭桿裝置剛度最主要的因素［2］。當扭桿軸的扭轉(zhuǎn)剛度為M1時，扭桿裝置的剛度計算為:

式中:

L1——扭桿裝置的連桿跨距，L1=2 466 mm;

L2——扭轉(zhuǎn)臂的中心孔距，L2=180 mm。

M1由扭桿軸的布局決定，對于結(jié)構(gòu)確定的扭桿軸，M1是其固有屬性。

式中:

G——扭桿軸材料的抗剪彈性模量;

IPi——某一截面的抗扭截面系數(shù);

li——同一直徑的軸長。

扭桿軸結(jié)構(gòu)如圖6所示。經(jīng)計算扭桿裝置的M2=1.81 MN·m/rad，已滿足客戶要求。

圖6 扭桿軸結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 強度校核

應(yīng)用有限元分析的方法對扭桿的強度進行校核，將扭桿的結(jié)構(gòu)以及載荷情況輸入到ABAQUS 6.9有限元分析軟件中，可得到各零件的應(yīng)力載荷情況。以極限載荷±15 kN為例，此時扭桿的應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 極限載荷±15 kN時扭桿的應(yīng)力云圖

扭桿的最大應(yīng)力出現(xiàn)在扭桿軸的圓弧過渡區(qū)域，最大的應(yīng)力達到了318 MPa(見表2)。經(jīng)分析可知，扭桿零部件選材的強度均滿足疲勞載荷的要求，且均有約3倍的安全系數(shù)。

表2 在±15 kN疲勞載荷條件下的各零部件的應(yīng)力狀況

3 生產(chǎn)制造的關(guān)鍵過程控制

對于扭桿軸，其檢測項點主要包括化學成分、機械性能、內(nèi)部質(zhì)量(超聲波探傷)、表面缺陷(磁粉探傷)、噴丸質(zhì)量檢測。由于從原材料加工成扭桿軸的過程中，無影響其內(nèi)部質(zhì)量的工序，因此其內(nèi)部質(zhì)量的檢測可在原材料上進行。在扭桿軸表面上的噴丸處理，可使得扭桿軸的表面保留殘余壓應(yīng)力。在其安裝使用時，表面殘余壓應(yīng)力將可適量降低其應(yīng)力，從而提高扭桿軸的抗疲勞性能。因此，扭桿軸的質(zhì)量控制項點中包括了對扭桿軸噴丸強度和覆蓋率的檢測。

扭轉(zhuǎn)臂和豎向連桿均采用42CrMo的模具鍛造毛坯，再進行機加工，因此其質(zhì)量控制的項點也類似，除了常規(guī)的化學成分、機械性能檢測外，其檢測項點還包括表面缺陷的磁粉探傷檢測和纖維流線檢測。其中，磁粉探傷的檢測，主要是為了避免鐵件產(chǎn)品在鍛造過程中，由于結(jié)構(gòu)或工藝設(shè)計的不合理，導致鍛造毛坯表面產(chǎn)生肉眼無法觀察的微觀裂紋。這些微觀裂紋的存在，將大大降低零件的強度和疲勞壽命，尤其是產(chǎn)品在油漆后表面缺陷無法觀察得到時，零件產(chǎn)品中表面缺陷的存在將導致無法估量的嚴重后果。纖維流線的檢測通常作為參考的檢測項點。在鍛造工藝設(shè)計合理的情況下，鍛造毛坯的纖維流線的分布應(yīng)基本與毛坯輪廓保持一致，如出現(xiàn)紊流情況，則鍛造毛坯的強度和局部硬度將大大降低。

4 對抗側(cè)滾扭桿裝置的檢測

扭桿裝置的性能檢測通常包括剛度測試、整體疲勞測試兩項。

剛度測試的主要目的是驗證扭桿裝置的剛度設(shè)計是否滿足設(shè)計需要。在進行剛度檢測時，利用相應(yīng)的工裝模擬扭桿裝置的安裝條件，通過十二通道機的液壓裝置在扭桿裝置的豎向連桿上加載載荷，記錄載荷、位移曲線，并通過相關(guān)的計算轉(zhuǎn)換為扭桿裝置的剛度。本項目研制的扭桿裝置經(jīng)剛度試驗檢測得到的剛度值為1.77 MN·m/rad，與設(shè)計剛度和客戶的要求相吻合。

疲勞試驗條件如表3所示。達到循環(huán)次數(shù)后，對表面進行了磁粉探傷檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋等異?，F(xiàn)象，表明該抗側(cè)滾扭桿裝置具有足夠的疲勞壽命。

表3 北京地鐵某B型車輛扭桿疲勞試驗要求

5 抗側(cè)滾扭桿裝置的運用情況

已研制成功的該類型抗側(cè)滾扭桿裝置在北京地鐵房山線的車輛上開始運用，自2009年試運營以來，已取得了較好的運營業(yè)績，沒有發(fā)現(xiàn)問題。

［1］ 劉文松，郭春杰.符合法鐵標準的抗側(cè)滾扭桿軸的工藝研制［J］.鐵道車輛，2007，7(45):125.