200km/h動車組下拉桿組成的研制

劉文松，劉世春，聶清明，杜方孟，王京雁

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

0 引言

200 km/h 動車組采用動力分布式，每列8 輛編組，共5 輛動車和3 輛拖車（5M3T），設(shè)計(jì)運(yùn)營速度為200 km/h。列車可通過兩組聯(lián)掛方式增至16 輛。轉(zhuǎn)向架一系懸掛裝置采用拉桿軸箱定位方式，二系懸掛系統(tǒng)由上枕梁、空氣彈簧系統(tǒng)、抗側(cè)滾扭桿裝置、二系橫向減振器、抗蛇形減振器、橫向止擋和牽引裝置等組成。轉(zhuǎn)向架與車體間采用Z 型雙牽引裝置，傳遞牽引力和制動力；基礎(chǔ)制動采用軸盤制動。

約束輪對軸箱與構(gòu)架間相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)稱為軸箱定位裝置，為軸箱提供縱向和橫向定位剛度，以保證車輛具有足夠的直線穩(wěn)定性和良好的曲線運(yùn)行導(dǎo)向性，從而確保車輛運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。本文主要介紹200 km/h動車組一系懸掛下拉桿組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方案、剛度強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證等。

1 200 km/h 動車組下拉桿組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

200 km/h 動車組一系懸掛裝置采用雙拉桿式軸箱定位（如圖1）。一系懸掛系統(tǒng)由兩組螺旋鋼彈簧、一系垂向減振器和定位裝置組成。箱體與構(gòu)架間的連接是通過在不同高度、端部有彈性節(jié)點(diǎn)的縱向拉桿實(shí)現(xiàn)的（雙拉桿軸箱定位結(jié)構(gòu)）。上下拉桿的剛度、鋼彈簧的剛度和垂向減振器的參數(shù)根據(jù)動力學(xué)計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化選擇，可減少和緩沖由于線路的不平順而引起的對構(gòu)架的激擾。

拉桿可以容許軸箱與構(gòu)架在上下方向有較大的相對位移，拉桿兩端均設(shè)置有橡膠節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)軸箱和構(gòu)架之間橫向與縱向彈性定位。

圖1 一系懸掛軸箱定位裝置

下拉桿組成主要由下拉桿桿體、連接銷、橫向橡膠墊、中心橡膠套、雙層彈性節(jié)點(diǎn)等組成（如圖2 所示）。以下拉桿桿體為主體，采取連接銷與2 個雙彈性層節(jié)點(diǎn)過盈連接，再與下拉桿桿體過盈聯(lián)接組成下拉桿組件。裝配時，連接銷通過螺栓及安裝座與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架連接。另一端，中心橡膠套過盈壓入下拉桿桿體后，再將橫向橡膠墊與中心橡膠套過盈聯(lián)接，裝車時，橫向橡膠墊通過螺栓及軸箱下拉桿安裝座與軸箱連接。

圖2 一系下拉桿組成結(jié)構(gòu)示意圖

2 200 km/h 動車組下拉桿組成設(shè)計(jì)方案

根據(jù)200 km/h 動車組對一系下拉桿組成的要求進(jìn)行了全面分析，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料選取、工藝處理、系統(tǒng)裝配、型式試驗(yàn)等方面均按照國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，形成了有限元與試驗(yàn)校核、最優(yōu)過盈壓裝等技術(shù)，最終開發(fā)出適用于200 km/h 動車組下拉桿組成。主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：（1）確定下拉桿組成系統(tǒng)縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)四項(xiàng)剛度值；（2）金屬橡膠件之間及與下拉桿桿體和連接銷的連接均為過盈聯(lián)接，能更好地發(fā)揮金屬橡膠件的多向剛度性能；（3）下拉桿桿體采用歐標(biāo)材料42CrMo4（EN 10083）并采用模鍛+機(jī)加工的成形方式，產(chǎn)品性能優(yōu)越，穩(wěn)定性好。

3 200km/h 動車組下拉桿組成剛度計(jì)算

由于軸箱定位裝置在縱向、橫向、垂向三個方向上具有彈性，彈性的取得主要依靠金屬橡膠件的橡膠變形［1-2］。圖3 中坐標(biāo)系X、Y、Z 方向分別表示為縱向、橫向、垂向三個方向。在橫向力的作用下，下拉桿右端的橡膠墊產(chǎn)生剪切變形，中心橡膠套產(chǎn)生徑向變形，下拉桿右端的雙層彈性節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生徑向變形；在縱向力的作用下，下拉桿右端的橡膠墊產(chǎn)生壓縮變形，中心橡膠套產(chǎn)生軸向剪切變形和彎曲變形，下拉桿左端的雙層彈性節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生軸向剪切變形和彎曲變形。在垂直力的作用下，下拉桿右端的中心橡膠套產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，下拉桿左端的雙層彈性節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。

圖3 下拉桿組成受載方向示意圖

3.1 下拉桿縱向剛度計(jì)算

下拉桿的縱向綜合剛度以kx表示。

下拉桿右端的剛度為kt2+2kd2，下拉桿左端的剛度為2ks2，下拉桿組成的縱向綜合剛度kx由下拉桿左、右端剛度串聯(lián)合成，即

式中，kd2為橡膠墊的徑向剪切剛度，kN/mm；kt2為中心橡膠套的徑向壓縮剛度，kN/mm；ks2為雙層彈性節(jié)點(diǎn)的徑向壓縮剛度，kN/mm。

3.2 下拉桿橫向剛度計(jì)算

式中：kd1為橡膠墊的軸向壓縮剛度，kN/mm；kt1為中心橡膠套的軸向剪切剛度，kN/mm；ks1為雙層彈性節(jié)點(diǎn)的軸向剪切剛度，kN/mm。

3.3 下拉桿垂直剛度計(jì)算

下拉桿的垂直綜合剛度以kz表示。下拉桿垂直綜合剛度由橡膠墊的扭轉(zhuǎn)剛度、中心橡膠套的扭轉(zhuǎn)剛度和雙層節(jié)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)剛度并聯(lián)而得，

式中：kdα為橡膠墊的扭轉(zhuǎn)剛度，kN·mm/rad；ktα為中心橡膠套的扭轉(zhuǎn)剛度，kN·mm/rad；ksα為雙層彈性節(jié)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)剛度，kN·mm/rad。

4 200 km/h 動車組下拉桿組成強(qiáng)度分析

根據(jù)200 km/h 型動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度計(jì)算，主要檢驗(yàn)構(gòu)架在超常載荷和異常載荷工況下的強(qiáng)度。因此下拉桿組成受力也可以在這兩種載荷條件下進(jìn)行計(jì)算。超常載荷主要分為垂向載荷和橫向載荷，異常載荷工況為由縱向加速度產(chǎn)生的縱向載荷。下拉桿組成中，固定橫向橡膠套，將圖3 中X、Y、Z 方向載荷分別施加在連接銷上。

根據(jù)工程力學(xué)，下拉桿桿體和連接銷是否失效可以通過第四強(qiáng)度理論進(jìn)行校核，根據(jù)設(shè)定的材料的許用應(yīng)力與計(jì)算出的應(yīng)力大小進(jìn)行比對，如果計(jì)算應(yīng)力大于許用應(yīng)力，則需要重新選擇材料。校核公式為：

式中：σ1、σ2、σ3為坐標(biāo)系X、Y、Z 三個方向的主應(yīng)力；［σ］為材料的許用應(yīng)力。

在確定下拉桿組成各項(xiàng)性能參數(shù)后，采用ABAQUS 軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的有限元計(jì)算分析。根據(jù)200 km/h 動車組對下拉桿組成的要求,需要根據(jù)表1 中極限載荷計(jì)算下拉桿組成的強(qiáng)度分析。

表1 200 km/h 下拉桿組成極限載荷條件

4.1 橫向載荷

橫向載荷為39.2 kN 時，下拉桿組成的最大等效應(yīng)力位于下拉桿桿體結(jié)構(gòu)變化的圓弧區(qū)域，如圖4 所示，大小為655.2 MPa，已超過其屈服強(qiáng)度650 MPa，但低于抗拉強(qiáng)度，不會發(fā)生破壞。所有零部件均可以滿足產(chǎn)品的強(qiáng)度要求。4

.2 縱向載荷

縱向載荷為98.1 kN 時，一系懸掛下牽引桿組件的最大等效應(yīng)力位于螺栓根部，如圖5 所示，大小為275.9 MPa，低于其屈服強(qiáng)度640 MPa，不會發(fā)生破壞。所有零部件均可以滿足產(chǎn)品的強(qiáng)度要求。

圖4 橫向載荷39.2 kN 時下拉桿組成等效應(yīng)力云圖

圖5 縱向載荷39.2 kN 時下拉桿組成等效應(yīng)力云圖

4.3 偏轉(zhuǎn)載荷

偏轉(zhuǎn)扭矩為10.4 kN·m 時，一系懸掛下牽引桿組件的最大等效應(yīng)力位于牽引桿桿體臺階圓弧處，如圖6 所示，大小為572.1 MPa，未超過屈服強(qiáng)度650 MPa，不會發(fā)生破壞。所有零部件均可以滿足產(chǎn)品的強(qiáng)度要求。

4.4 扭轉(zhuǎn)載荷

扭轉(zhuǎn)角度為8°時，一系懸掛下牽引桿組件的最大應(yīng)力仍位于螺栓根部，如圖7 所示，大小為268.4 MPa，遠(yuǎn)低于屈服極限640 MPa，不會發(fā)生破壞；所有零部件均可以滿足產(chǎn)品的強(qiáng)度要求。

圖6 偏轉(zhuǎn)載荷為10.4 kN·m 時下拉桿組成等效應(yīng)力云圖

圖7 扭轉(zhuǎn)8°時下拉桿組成等效應(yīng)力云圖

4.5 疲勞載荷

根據(jù)上述應(yīng)力分析結(jié)果，利用疲勞軟件Fe-Safe 對組件進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，F(xiàn)e-Safe 軟件中的安全系數(shù)FOS 是關(guān)于施加載荷的強(qiáng)度因子S，當(dāng)S≥1 時，在此設(shè)計(jì)壽命條件下，此加載載荷數(shù)值是安全的。疲勞載荷譜見表2，序列加載，共計(jì)800 萬次。

從圖8 可知，該下拉桿組成最小強(qiáng)度因子為1.105，位于桿體結(jié)構(gòu)過渡變化處；中心橡膠套金屬外套的安全系數(shù)為2.156，橫向橡膠墊外圈的安全系數(shù)為1.719，其他部件均為5；所有部件均可循環(huán)8×106次，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求壽命。

表2 200 km/h 下拉桿組成疲勞載荷譜

圖8 下拉桿組成疲勞載荷譜下的強(qiáng)度因子與疲勞壽命云圖

5 200 km/h 動車組下拉桿組成型式試驗(yàn)

參照型式試驗(yàn)大綱的要求，對200km/h 動車組下拉桿組成進(jìn)行了各項(xiàng)性能測試，結(jié)果各項(xiàng)性能指標(biāo)均合格，表明200km/h 動車組下拉桿組成完全符合技術(shù)規(guī)范要求。

5.1 200 km/h 動車組下拉桿組成剛度試驗(yàn)

下拉桿組成對縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)等四項(xiàng)剛度均有要求（如表3），根據(jù)型式試驗(yàn)大綱要求，對各項(xiàng)剛度逐一測試，結(jié)果表明滿足試驗(yàn)要求。

表3 200 km/h 下拉桿組成剛度試驗(yàn)

5.2 200 km/h 動車組下拉桿組成疲勞試驗(yàn)

根據(jù)表2 完成了800 萬次疲勞試驗(yàn)，結(jié)束后對下拉桿組成進(jìn)行磁粉探傷檢測，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋擴(kuò)展和斷裂現(xiàn)象。

6 結(jié)論

200 km/h 動車組下拉桿組成采用成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，確保了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的符合性；有限元分析和形式試驗(yàn)相結(jié)合，確保了產(chǎn)品的可靠性，制造工藝不斷優(yōu)化確保了產(chǎn)品的優(yōu)越性。經(jīng)過設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)后測試表明，其結(jié)構(gòu)、剛度、強(qiáng)度等完全滿足200 km/h 動車組車輛的運(yùn)用要求。經(jīng)過800 萬次疲勞試驗(yàn)，下拉桿組成未發(fā)生任何問題，說明該型下拉桿組成研制成功。

［1］龔積球，龔震震，趙熙雍.橡膠件的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2003：133-136.

［2］齊斌.電力機(jī)車常用軸箱定位裝置定位剛度分析［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2011，34（1）：28-30.