車輛減速器適應(yīng)鐵路重載發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)研究

李秀杰

1 重載對(duì)減速器的主要影響

繼高速鐵路的大發(fā)展，貨運(yùn)重載成為未來(lái)技術(shù)投入的重要方向。高速鐵路主要對(duì)通信信號(hào)類產(chǎn)品的性能要求提高，而貨運(yùn)重載主要對(duì)線下基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)備等產(chǎn)品的強(qiáng)度要求提高。例如基礎(chǔ)和橋梁、基本軌、對(duì)與車輛軸重相關(guān)的各類基礎(chǔ)設(shè)備等。因此，必須掌握重載對(duì)設(shè)備的影響因素、影響程度，提出針對(duì)性的措施應(yīng)對(duì)，完善科學(xué)的評(píng)價(jià)方法和驗(yàn)證手段，提高設(shè)備的設(shè)計(jì)水平，為鐵路重載的發(fā)展保駕護(hù)航。

車輛減速器是駝峰編組站的重要調(diào)速設(shè)備，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度、壽命與貨車軸重具有強(qiáng)相關(guān)性。軸重對(duì)減速器壽命的影響為非線性，因此，需要提高車輛減速器的強(qiáng)度，提高其軸重適用范圍，以滿足未來(lái)重載發(fā)展的需要。

2 問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)全路多個(gè)編組站的調(diào)研，過(guò)去幾年的重載發(fā)展，已經(jīng)對(duì)既有減速器的使用有較大的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：混凝土基礎(chǔ)破損；關(guān)鍵零部件制動(dòng)鉗斷裂；重要受力部件制動(dòng)軌出現(xiàn)裂紋等。

2.1 軌枕板基礎(chǔ)破損問(wèn)題及分析

減速器既有軌枕板基礎(chǔ)外形較復(fù)雜，有高出的承軌臺(tái)。通過(guò)預(yù)制或現(xiàn)場(chǎng)施工方式，采用二次澆筑方法將多塊軌枕板連接成為整體道床。軌枕板在生產(chǎn)、使用和維修等過(guò)程中，存在以下不足：

1.生產(chǎn)問(wèn)題。因軌枕板形狀復(fù)雜，表面易產(chǎn)生氣泡，脫模時(shí)易造成邊角破損。整體道床二次澆筑易造成界面結(jié)合不良，易形成裂紋。

2.安裝問(wèn)題。由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間緊，很多站場(chǎng)由于施工不當(dāng)造成固定座壓住基本軌，而工作中基本軌需要浮起，通過(guò)固定座螺栓將軌枕板混凝土拔起，輕者造成承軌臺(tái)裂紋，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致承軌臺(tái)整體破壞。另外，緊固硫磺錨固螺旋道釘扭矩超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)造成混凝土破損。

3.強(qiáng)度問(wèn)題?；炷敛牧媳旧砜估⒖箟簭?qiáng)度差異大，其比值約為1/18～1/9。當(dāng)下部基礎(chǔ)碎石中間高出時(shí)，容易使軌枕板中部彎曲產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成斷裂。

4.維修問(wèn)題。每天半小時(shí)停輪時(shí)間維修，時(shí)間嚴(yán)重不足。維修難度大。環(huán)氧樹(shù)脂等施工材料對(duì)環(huán)境溫度要求高，且需要模板，修后需要靜停養(yǎng)護(hù)。因此，軌枕板的修復(fù)一直都是減速器維修的一個(gè)難點(diǎn)。

2.2 制動(dòng)鉗斷裂問(wèn)題及分析

近幾年，隨著鐵路重載的發(fā)展，減速器制動(dòng)鉗出現(xiàn)了不適應(yīng)情況。形式為疲勞斷裂。損壞部位主要為制動(dòng)軌翅膀根部。其過(guò)程為：首先從此部位出現(xiàn)細(xì)小裂紋，然后裂紋逐漸發(fā)展成大裂紋，最后造成斷裂。原因分析：

1.制動(dòng)軌緊固用螺栓的松動(dòng)會(huì)加劇制動(dòng)軌和制動(dòng)鉗組的振動(dòng)，造成斷軌或斷鉗現(xiàn)象。因此日常維修中需要保證螺栓緊固。

2.減速器下部地基不均勻、沉降加劇，導(dǎo)致設(shè)備沖擊、振動(dòng)加劇，調(diào)整不及時(shí)，會(huì)加速減速器的疲勞破壞。預(yù)防措施為：嚴(yán)密監(jiān)測(cè)減速器基礎(chǔ)的沉降情況，整體道床沉降量超過(guò)違規(guī)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，工務(wù)部門(mén)必須及時(shí)整修。

3.內(nèi)外鉗上，制動(dòng)軌調(diào)整墊片厚度不均勻，及減速器開(kāi)口尺寸調(diào)整不當(dāng)，會(huì)造成制動(dòng)鉗受力不均勻，致使個(gè)別鉗組單獨(dú)受力，導(dǎo)致各個(gè)擊破的聯(lián)鎖反應(yīng)。因此在維修中，內(nèi)外鉗加墊片厚度要保證基本一致，只加內(nèi)側(cè)或者外側(cè)的方式會(huì)造成內(nèi)外鉗受力不均，影響設(shè)備性能和零件壽命；為了維修方便，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常只在外側(cè)加調(diào)整墊片，造成內(nèi)鉗后支撐處受力點(diǎn)懸空，高強(qiáng)度螺栓擠壓制動(dòng)鉗螺栓長(zhǎng)孔，如圖1所示，致使翅膀位置處于非正常受力情況，導(dǎo)致制動(dòng)鉗斷裂，如圖2所示。

圖1 不均勻加墊片導(dǎo)致的螺栓壓痕

圖2 翅膀斷裂情況

2.3 制動(dòng)軌裂紋問(wèn)題及分析

從2013年以來(lái)，少量制動(dòng)軌出現(xiàn)裂紋，極個(gè)別出現(xiàn)斷裂的情況，這與重載軸重提高，惡化了減速器使用工況有關(guān)。制動(dòng)軌原有的安全余量被吃掉，雖然問(wèn)題是偶發(fā)的，但必須引起重視，采取相應(yīng)措施控制問(wèn)題進(jìn)一步發(fā)展。

從現(xiàn)場(chǎng)使用情況可以看出，采用75kg/m制動(dòng)軌的減速器，制動(dòng)軌和制動(dòng)鉗的使用狀況都明顯優(yōu)于采用60kg/m制動(dòng)軌的減速器。這與理論計(jì)算結(jié)果相符。主要是因?yàn)椴捎?5kg/m制動(dòng)軌后，抗彎截面系數(shù)增加，75kg/m型軌高192mm，60kg/m軌軌高176mm，抗彎截面系數(shù)為高度的3次方，75kg/m型軌抗彎截面系數(shù)比60kg/m軌增加約30%，因此制動(dòng)軌使用中的最大應(yīng)力值降低。同時(shí)因?yàn)橹苿?dòng)軌的剛度好，分擔(dān)了更多的制動(dòng)力，因此制動(dòng)鉗的受力情況同時(shí)改善；另外75kg/m軌減速器制動(dòng)時(shí)振幅小，螺栓的振動(dòng)小，螺栓不易松動(dòng)，整臺(tái)減速器運(yùn)行比較穩(wěn)定。而60kg/m制動(dòng)軌強(qiáng)度低、剛度小，在制動(dòng)過(guò)程中變形與振動(dòng)較大，帶動(dòng)制動(dòng)鉗也隨之變形與振動(dòng)，導(dǎo)致減速器在使用過(guò)程中不夠平穩(wěn)，出現(xiàn)的問(wèn)題較多。從理論分析、計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均可以得出結(jié)論：采用75kg/m型制動(dòng)軌的減速器在同等車重條件下，工作狀態(tài)好于采用60kg/m型制動(dòng)軌的減速器。

3 解決方案

3.1 基礎(chǔ)破壞的對(duì)策

1.采用預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)，對(duì)軌道板施加預(yù)應(yīng)力，提高軌道板抗拉強(qiáng)度。

2.整體混凝土鋼模，高頻振搗技術(shù)。

3.現(xiàn)地蒸汽養(yǎng)生和浸水養(yǎng)生。

將以上新工藝應(yīng)用于軌道板生產(chǎn)中，基礎(chǔ)的整體水平煥然一新。另外，減速器軌道板采用了外形簡(jiǎn)單的平板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了與軌道板配套的鋼臺(tái)座技術(shù)。將凸起的混凝土承軌臺(tái)用整體鋼結(jié)構(gòu)的鋼臺(tái)座替代，簡(jiǎn)化外形，消除了復(fù)雜形狀造成的應(yīng)力集中。鋼臺(tái)座代替混凝土材料受拍擊，避免了拍擊造成的破壞。鋼臺(tái)座底面與混凝土接觸面積大，是軌枕板的幾倍，分散了受力，減小了壓強(qiáng)，改善混凝土局部受力過(guò)大的狀況。

采用鋼臺(tái)座和軌道板結(jié)合的這種基礎(chǔ)稱為鋼臺(tái)座軌道板，也簡(jiǎn)稱為軌道板，相應(yīng)的減速器稱為軌道板式減速器。軌道板在受力狀況中的表現(xiàn)明顯優(yōu)于軌枕板的方式。

鋼臺(tái)座軌道板技術(shù)提高了基礎(chǔ)強(qiáng)度，延長(zhǎng)了使用壽命，為減速器適應(yīng)重載運(yùn)輸發(fā)展提供了解決方案。

3.2 制動(dòng)鉗斷裂的對(duì)策

制動(dòng)鉗的使用狀況除了需要保證正常維修維護(hù)外，從設(shè)計(jì)上改進(jìn)，提高制動(dòng)鉗的軸重適用范圍是解決問(wèn)題的根本。

有限元計(jì)算方法是零部件進(jìn)行力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的有效手段，在制動(dòng)鉗強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，采用有限元分析軟件進(jìn)行綜合分析和驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使制動(dòng)鉗整體受力分布均勻，從而提高了制動(dòng)鉗的機(jī)械強(qiáng)度。

制動(dòng)鉗是減速器的關(guān)鍵零部件，其外形復(fù)雜；工作中受力情況也比較復(fù)雜；車輛在減速器區(qū)段經(jīng)過(guò)時(shí)，車輛處于不同的位置對(duì)應(yīng)制動(dòng)鉗不同的受力狀態(tài)；制動(dòng)鉗各部位的應(yīng)力最大值不是同時(shí)出現(xiàn)，而是出現(xiàn)于不同時(shí)刻的工況，需要分別模擬和校核，才能全面校核制動(dòng)鉗各部位的強(qiáng)度。圖3所示為制動(dòng)鉗在某一種工況時(shí)的變形情況，圖中，制動(dòng)鉗不同的方向上均有變形及應(yīng)變，其應(yīng)力最大值也是各向應(yīng)力的復(fù)合，可見(jiàn)其受力狀況的復(fù)雜。

圖3 制動(dòng)鉗工作時(shí)的變形情況

圖4為制動(dòng)鉗組的有限元計(jì)算應(yīng)力分布情況，零部件不同的顏色分布情況對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力大小，可以通過(guò)對(duì)照?qǐng)D中右上角的圖例，查詢具體的應(yīng)力值范圍，也可以通過(guò)軟件的查詢功能查出局部范圍的最大應(yīng)力值。對(duì)于應(yīng)力較大的地方，需要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化消除，改善應(yīng)力分布情況，使之更均勻，避免應(yīng)力集中。通過(guò)有限元計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，制動(dòng)鉗的受力狀況得到了明顯改善，大大提高了制動(dòng)鉗的強(qiáng)度和壽命。

圖4 制動(dòng)鉗組的有限元計(jì)算應(yīng)力分布

采用有限元方法進(jìn)行校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，定量分析、精細(xì)設(shè)計(jì)，改變了原有理論公式計(jì)算的粗放性，改善了傳統(tǒng)計(jì)算采用截面平均應(yīng)力計(jì)算方法誤差大的問(wèn)題。

采用三維仿真技術(shù)建立車輛減速器仿真分析平臺(tái)，對(duì)減速器進(jìn)行有限元分析、機(jī)械強(qiáng)度校核、疲勞壽命分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。豐富了驗(yàn)證手段，提高了設(shè)計(jì)水平。

3.3 制動(dòng)軌裂紋的對(duì)策

制動(dòng)軌是減速器實(shí)現(xiàn)減速功能的最后環(huán)節(jié)，與車輛直接接觸，受到正壓力、同時(shí)受到不同方向的摩擦力、諧振等，受力復(fù)雜。尤其在制動(dòng)軌的入口和出口，還會(huì)受到車輛進(jìn)入喇叭口的沖擊，出入口處制動(dòng)軌的懸臂梁結(jié)構(gòu)，受力狀況最為惡劣。因此制動(dòng)軌也是消耗品和易損件。通過(guò)有限元分析，可以了解制動(dòng)軌在工作時(shí)的受力狀況，圖5為有限元計(jì)算制動(dòng)軌的應(yīng)力分布和變形情況。

圖5 制動(dòng)軌的應(yīng)力分布和變形情況

在工程中，為了保證材料的強(qiáng)度、剛度、熱處理水平及耐磨性，通常采用不同型號(hào)的基本軌進(jìn)行加工，作為制動(dòng)軌使用。重載發(fā)展以前，60kg/m型制動(dòng)軌強(qiáng)度基本滿足使用需求，是較經(jīng)濟(jì)的選擇，但隨著重載發(fā)展，車輛軸重加大，60kg/m制動(dòng)軌顯現(xiàn)出強(qiáng)度不足。因此，避免制動(dòng)軌損壞最直接的方式就是將制動(dòng)軌從60kg/m型升級(jí)為75kg/m型。通過(guò)有效的設(shè)計(jì)，可以達(dá)到2種型號(hào)減速器零部件兼容性的最大化，即僅有制動(dòng)鉗需要重新設(shè)計(jì)，而其他所有零部件均可以兼容的情況。在T.JK3－B50型減速器上實(shí)現(xiàn)了這樣的設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)時(shí)，既延續(xù)了現(xiàn)場(chǎng)既有設(shè)備的可利用價(jià)值，同時(shí)提高了設(shè)備的強(qiáng)度和可靠性。

4 軌道板式減速器樣機(jī)試制

減速器在目前重載的發(fā)展階段，其主要問(wèn)題均有了解決方案，在新型減速器設(shè)計(jì)和既有減速器改進(jìn)中，應(yīng)用了新技術(shù)，設(shè)計(jì)進(jìn)行了重大升級(jí)。為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果，試制了樣機(jī)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1.鋼臺(tái)座軌道板式基礎(chǔ)解決了既有軌枕板基礎(chǔ)的問(wèn)題，由于其外形、強(qiáng)度、壽命等綜合水平的提高，受到用戶的歡迎。

2.新型制動(dòng)鉗結(jié)構(gòu)，在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和既有產(chǎn)品中，均通過(guò)有限元分析計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，強(qiáng)度大大提高。

3.75kg/m型制動(dòng)軌在間隔位減速器中全部得到應(yīng)用，大大提高了制動(dòng)軌的強(qiáng)度和整機(jī)的強(qiáng)度。鐵科院的減速器系列產(chǎn)品，間隔位減速器應(yīng)用了軌道板、新型制動(dòng)鉗、75制動(dòng)軌的新技術(shù)，型號(hào)為 T.JK3－B60型、T.JK3－B50型軌道板式減速器。目的位減速器應(yīng)用了軌道板、新型制動(dòng)鉗技術(shù)，型號(hào)為T(mén).JK2－B50型軌道板式減速器。軌道板式減速器在蘇家屯、寶雞東、太原、阜陽(yáng)、新豐鎮(zhèn)、侯馬等站場(chǎng)安裝使用。

5 結(jié)論

為解決減速器在重載發(fā)展中的問(wèn)題，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，采用新技術(shù)并進(jìn)行樣機(jī)試制，使減速器的性能得到了重大升級(jí)。包括以下方面：

1.鋼臺(tái)座軌道板式基礎(chǔ)解決了既有軌枕板基礎(chǔ)的問(wèn)題，其外形、強(qiáng)度、壽命等綜合水平有了很大提高。

2.新型制動(dòng)鉗結(jié)構(gòu)，在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和既有產(chǎn)品改進(jìn)中，均通過(guò)有限元分析計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，強(qiáng)度大大提高。

3.75kg/m型制動(dòng)軌，在間隔位減速器中全部得到應(yīng)用，大大提高了制動(dòng)軌的強(qiáng)度和整機(jī)的強(qiáng)度。

關(guān)鍵技術(shù)的研究和新技術(shù)的應(yīng)用為減速器適應(yīng)重載的不斷發(fā)展提供了保障，確保了現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)安全，降低了維護(hù)工作強(qiáng)度，受到了用戶的好評(píng)。

［1］ 李秀杰.軌道板式車輛減速器的研制.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所研究報(bào)告.2014.

［2］ 李秀杰.軌道板式車輛減速器的研制［J］.鐵道通信信號(hào)，2014，（12）：13.

［3］ 李凱華，高立中.車輛減速器混凝土基礎(chǔ)的改進(jìn)和研制［J］.鐵道通信信號(hào)，2012，（7）：25.

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［5］ 李秀杰.車輛減速器動(dòng)態(tài)仿真研究中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所研究報(bào)告［R］.2011.

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