我國高速動車組扭桿的發(fā)展現(xiàn)狀和關鍵技術

劉文松

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

0 引言

國內(nèi)第一個二系懸掛使用空氣彈簧的轉向架是209PK型轉向架，于1987年研制成功，該空氣彈簧的使用，使得抗側滾扭桿也相應第一次運用于國內(nèi)轉向架上，隨后在209TK、209HS、CW-2系列、AM96型轉向架均使用抗側滾扭桿。近年來，我國高速鐵路迅猛發(fā)展，扭桿類產(chǎn)品作為軌道車輛轉向架上的系統(tǒng)部件，隨著空氣彈簧的運用而被廣泛使用。

扭桿裝置的作用是調(diào)節(jié)車輛安全運行所需的抗側滾剛度，滿足車輛運行所需的脫軌系數(shù)和柔性系數(shù)要求，以此來彌補因空氣彈簧的使用造成的抗側滾剛度不能滿足運行要求的問題。從理論角度分析［1］，車輛的固有參數(shù)柔性系數(shù)S，定義為曲線上車輛橫斷面中心線、兩軌頂面垂線間的夾角γ與曲線超高角σ之比，即S=γ/σ，當S大于某一值后，車輛在曲線上很可能侵入限界，增加抗側滾扭桿剛度Kφ，則S值減小。這里特別說明，扭桿的剛度包括扭桿本身的扭轉剛度和安裝了抗側滾扭桿后車體（或搖枕）所增加的側滾剛度，由于前者并不能說明抗側滾扭桿的效果，因此，扭桿剛度的選擇主要指后者。研究［1-3］和實際使用表明，采用抗側滾扭桿裝置是較好的解決方案，能夠有效降低曲線上侵入限界的可能。

1 典型動車組轉向架抗側滾扭桿的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，株洲時代新材料科技股份有限公司（以下簡稱時代新材）已經(jīng)開發(fā)研究出多種扭桿，抗側滾扭桿裝置的連桿和扭桿分別與車體和轉向架連接，根據(jù)不同的車體和轉向架設計，可分為外置式扭桿和內(nèi)置式扭桿，區(qū)別在于支撐座組件位于連桿外側或是內(nèi)側。外置式扭桿裝置中的節(jié)點又可分為硬支撐和軟支撐，一般硬支撐是指金屬關節(jié)，主要通過球面的滑動來實現(xiàn)；而軟支撐一般為支撐球鉸，這種橡膠關節(jié)主要通過橡膠的壓縮變形來適應側滾時扭桿裝置的位置變化。另外按照扭桿裝置又可分為正裝型和反裝型，若連桿在上扭桿在下則為正裝型，反之為反裝型，根據(jù)空氣彈簧的安裝位置選擇相應的安裝形式。

另外扭桿裝置還有幾種分類方式，根據(jù)扭桿軸的形式不同將其分為直扭桿和彎扭桿；按照扭桿軸和扭轉臂之間是否可拆卸，分為整體式和分體式。在整體式中又分為過盈配合式和間隙連接式，過盈配合一般指圓柱熱套和鍵熱套，而間隙連接式一般采用鍵連接；按照連桿結構又可將其分為固定式連桿和可調(diào)式連桿，二者區(qū)別在于能否自身調(diào)節(jié)連桿長度，從而滿足車體的平衡需求。

目前研制的扭桿有CRH1系列，具體有CRH1A、CRH1A-200、CRH1A-250、CRH1B、CRH1E；CRH2 系列，具體有 CRH2-500、CRH2A、CRH2B、CRH2C（ CRH2C 一階段、CRH2C二階段）、CRH2E；CRH3系列，具體有 CRH3C；CRH5 系列，具體有 CRH5A，CRH5AL；CRH380 系列，具體為 CRH380A、CRH380AL、CRH380B、CRH380BL、CRH380C、CRH380CL、CRH380D。下面重點介紹幾種典型抗側滾扭桿的特點， 包括 CRH2-500、CRH380D、CRH3、CRH1A-250、CRH5A扭桿，這幾種扭桿的特點對比見表1。

表1 典型扭桿的特點對比

1.1 CRH2-500型動車組轉向架抗側滾扭桿

圖1 CRH2-500型動車組抗側滾扭桿總裝圖

CRH2-500試驗車項目扭桿用于四方股份自主研發(fā)的設計速度為500km/h的新一代高速動車組車輛。該項目扭桿的部分結構設計借鑒CRH380A動車組車輛扭桿，其桿軸與扭轉臂采用花鍵熱套過盈連接，花鍵加工及連接可靠性決定了整個系統(tǒng)可靠性；垂向連桿通過銷套組合與扭轉臂連接，下緩沖關節(jié)采用桿端軸承；垂向連桿采用可調(diào)高度的兩段式，連桿上桿體通過螺紋與桿端軸承連接，其總裝圖如圖1所示，其零部件材料使用情況見表2所示。CRH500試驗車項目抗側滾扭桿的加工難點在于圓柱直齒漸開線花鍵的加工，組裝后，扭桿裝置兩端高度差不超過2 mm，兩連桿中心距尺寸公差±1 mm以內(nèi)。

1.1.1 CRH2-500型抗側滾扭桿強度分析

本文應用ABAQUS分析了CRH2-500試驗車扭桿裝置在極限垂向載荷43.5 kN下扭桿軸和扭轉臂應力情況，應力分布見圖2～圖5，扭桿軸的最大應力為1 008 MPa，應力最大區(qū)域是扭桿支撐處圓弧外表面，圖3中的橫截面應力分布，可看出扭桿軸的圓心處應力最小，由內(nèi)向外應力逐漸增大，表面處應力達到最大，扭轉臂的應力分布見圖4，最大應力為174.3 MPa。

表2 零部件材料

圖2 扭桿組件在極限載荷43.5 kN下的應力分布云圖

圖3 扭桿軸在極限載荷43.5 kN下的應力分布云圖

圖4 扭轉臂在極限載荷43.5 kN下的應力分布云圖

圖5 連桿在極限載荷43.5 kN下的應力分布云圖

應力結果比較見表3。

表3 應力結果比較

根據(jù)對扭桿裝置的有限元分析，得到扭桿軸及扭轉臂的應力分布情況，可以發(fā)現(xiàn)在極限荷載43.5 kN作用下，扭桿軸和扭轉臂的最大應力均小于相應材料的屈服強度，具有一定的強度儲備，在常規(guī)載荷21.6 kN下，使用性能會更加可靠。

1.1.2 CRH2-500型抗側滾扭桿型式試驗

按照相關文獻［4-5］及試驗大綱的要求，對CRH2-500抗側滾扭桿進行了各項性能試驗。在連桿處加載垂向載荷Fz=0～±20 kN，檢測連桿垂向位移，反復三次，分別記錄載荷位移曲線，如圖6，每次加載時間間隔不少于20min，經(jīng)計算整體剛度試驗結果為2.52 MN·m/rad，符合設計要求。

圖6 CRH2-500抗側滾扭桿整體剛度載荷—位移曲線

表4 疲勞試驗要求

對于彈性試驗，預壓2 kN時，用百分表測量并記錄扭轉臂所在位置的高度并標記為零點，然后壓縮44.0 mm，保壓1 min，卸載并回到自然狀態(tài)后再讀出百分表的數(shù)值為0.65 mm，符合小于1.1 mm的技術要求。另外按照CRH2-500型動車組抗側滾扭桿的設計和使用要求，完成1 000萬次疲勞試驗，加載工況列于表4，各項試驗結果均符合技術要求，并對試驗后扭桿裝置進行探傷檢測，結果沒有任何裂紋出現(xiàn)。

1.2 CRH380D型動車組轉向架抗側滾扭桿

圖7 CRH380D型動車組抗側滾扭桿裝置

CRH380D型動車組轉向架抗側滾扭桿裝置，如圖7所示，是時代新材為龐巴迪公司CRH380D型動車組轉向架所提供的扭桿裝置。根據(jù)轉向架的位置，該扭桿裝置采用反裝式。其剛度為2.5MN·m/rad。安裝后車輛的傾覆系數(shù)與柔性系數(shù)分別減少約6.5%和21%，可使車輛的傾覆性能得到明顯的改善。安裝抗側滾扭桿后，CRH380D型動車組大大降低了車輛通過道岔時的側滾角，同時確保了車輛通過曲線時不超過限界。

CRH380D型動車組抗側滾扭桿裝置的扭桿軸與扭轉臂采用熱套過盈連接，連桿為雙頭連桿，可調(diào)整連桿長度，連桿關節(jié)為金屬關節(jié)，為滿足安裝需要扭桿支撐為橡膠件內(nèi)置支撐。

1.3 CRH3型動車組轉向架抗側滾扭桿

CRH3扭桿是時代新材為北車唐山軌道客車股份有限公司開發(fā)的國產(chǎn)化扭桿。扭桿采用外置式的直扭桿裝置，其中扭桿軸與扭轉臂以熱套過盈連接，扭桿軸與鋼套以熱套過盈連接，如圖8所示，另外由于該類扭桿應用于北方，故對其低溫使用性能要求較高。

扭桿軸材料為52CrMoV4，各項性能優(yōu)異，扭轉臂的原材料42CrMo4已被廣泛應用于歐洲鐵路的同類產(chǎn)品。扭桿軸采用端部鐓粗和浮動磨削工藝，表面進行噴丸處理；扭轉臂采用模鍛與機加工的成形方式；鋼套直接機加工成形，產(chǎn)品性能優(yōu)越，穩(wěn)定性好。

圖8 CRH3扭桿

1.4 CRH1A-250型動車組轉向架抗側滾扭桿

圖9 CRH1A-250動車組扭桿

CRH1A-250扭桿是時代新材為青島四方龐巴迪鐵路運輸設備有限公司開發(fā)，運用于CRH1系列動車組，如圖9所示。安裝抗側滾扭桿后，CRH1A-250動車組大大降低了車輛通過道岔時的側滾角，同時確保了車輛通過曲線時不超過限界。CRH1A-250動車組扭桿項目扭桿軸與扭轉臂采用熱套過盈連接，為滿足安裝需要扭桿支撐為兩半式橡膠內(nèi)置支撐，最大特點為扭桿裝置中間部位采用套管保護，保護罩材質為ST35。

1.5 CRH5A型動車組轉向架抗側滾扭桿

CRH5A扭桿是時代新材為阿爾斯通開發(fā)的扭桿，該型扭桿分為動車扭桿和拖車扭桿兩種規(guī)格，其接口尺寸均相同，唯一的差異是扭桿軸中間部位的直徑尺寸，直徑較大的規(guī)格為動車扭桿，直徑較小的規(guī)格是拖車扭桿，兩種規(guī)格的扭桿均是通過扭桿軸與扭轉臂過盈聯(lián)接形成。CRH5A動車組耐寒性能較好，其承受溫度范圍可達±40℃，故而對零部件的低溫性能要求較高，其中扭桿軸的沖擊功要求較標準要求高出40%，扭轉臂也是在常溫沖擊功的基礎上增加了低溫沖擊功要求。

圖10 CRH5動車組扭桿

CRH5A動車組一個轉向架上安裝兩套扭桿，且扭桿的安裝方式較常規(guī)扭桿也有明顯的不同。常規(guī)的扭桿通常是將扭桿軸固定，扭轉臂與連桿相連，扭桿軸只會發(fā)生扭轉變形，而不會出現(xiàn)其他運動。該型扭桿是將扭轉臂固定在構架上，扭桿軸與連桿相連，節(jié)點位于連桿上，實際工況中，扭桿軸不但發(fā)生扭轉變形，而且會出現(xiàn)上下擺動。

1.6 結 論

以上幾種扭桿在結構設計、原材料選取、工藝等均按照EN標準或相關要求進行。在確定各類抗側滾扭桿各項性能參數(shù)時，時代新材還進行了詳細的有限元分析計算，從理論角度和試驗角度確保設計的可行性。另外按照型式試驗大綱的要求，對各個部件進行取樣測試性能，結果表明，各項性能指標均符合技術規(guī)范要求，而且還具有一定的強度等儲備。

2 抗側滾扭桿關鍵技術

抗側滾扭桿在設計開發(fā)過程中，應用許多關鍵技術，下面重點介紹端部鐓粗、噴丸強化的應用。

2.1 端部鐓粗工藝

扭桿軸的結構為細長形的階梯軸，一般兩端粗中間細。目前國內(nèi)的主要工藝為機加工，即通過圓鋼直接切削成扭桿軸的形狀尺寸，但這樣就破壞了扭桿軸階梯部分的金屬纖維流線的延展性，而時代新材采用的端部鐓粗工藝，是首先將磨光原材料按照扭桿軸所需料的長度下料，再將其放在臥式鐓粗成型機上，其模具卡住原材料，通過鐓錘對料的兩端進行鐓粗，使其變成階梯狀［6］。通過對產(chǎn)品的金屬纖維流線順延性檢測，發(fā)現(xiàn)階梯處金屬纖維流線的順延性能夠得到保證，這樣會提高扭桿軸的疲勞性能及綜合使用性能。兩種工藝的金屬流線對比如圖11所示。

圖11 兩種工藝下的金屬流線

2.2 噴丸強化

噴丸強化是一種受控噴丸技術，不同于普通噴丸噴砂清理。噴丸清理以去除工件表面油污、氧化皮、銹蝕和機械加工毛刺為目的，扭桿軸的噴丸強化主要是借助于高速運動的彈丸沖擊其表面，使其發(fā)生彈性、塑性變形，從而產(chǎn)生殘留壓應力、加工硬化和組織細化等有利的變化，以提高扭桿軸的疲勞強度，是提高其使用壽命的重要途徑［7］。這是因為該工藝采用鋼丸高速擊打扭桿表面，從而在表面產(chǎn)生壓應力，消除工件內(nèi)部本身存在的拉應力，改善扭桿的疲勞性能，從而提高其使用壽命。

3 結語

本文主要對幾種典型動車組抗側滾扭桿如CRH2-500，CRH380D，CRH3，CRH1A-250，CRH5A 進 行 了 介紹，通過時代新材對其進行的研究、試制及生產(chǎn)，這幾類扭桿產(chǎn)品已成功應用于部分國內(nèi)外軌道車輛，同時，這些產(chǎn)品的設計思路、計算方法、加工工藝以及先進的整體性能測試方法，為我國扭桿裝置的研制提供了大量可靠的原始參數(shù)和重要的試驗分析手段，為今后高速車轉向架上抗側滾扭桿裝置的研究積累了一定的經(jīng)驗，促進了扭桿類產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的進程。

在功能上，未來扭桿設計主要體現(xiàn)在輕量化方面和人性化設計方面，輕量化是指提出大膽設想，將扭桿軸由實心，逐漸向中心材料遞減發(fā)展乃至達到薄壁空心。而人性化設計方面是指讓產(chǎn)品適應旅客，而非旅客適應產(chǎn)品，在滿足旅客乘車要求的同時，不斷進行功能創(chuàng)新，使?jié)撛诠δ艿玫匠浞职l(fā)揮，并采用新技術和手段擴大產(chǎn)品功能，使其得到創(chuàng)新和完善。

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