206型轉(zhuǎn)向架制動梁強度性能研究*

劉洪印，王 紅，商躍進，趙 波

(蘭州交通大學機電工程學院，甘肅蘭州 730070)

0 引言

制動梁是鐵道車輛上最重要的部件之一，它的損傷故障對行車安全影響極大。尤其是對安全性能要求更為嚴格的鐵道客車，其制動梁的損傷故障將直接威脅著人們的生命安全。在列車運行過程中，制動梁承受較大的交變載荷及沖擊力，制動時承受制動力以及車輪對閘瓦的反作用力，受力狀況較為惡劣。雖然制動梁在試用之前均經(jīng)過了靜拉力試驗，而且都是合格產(chǎn)品。但經(jīng)過一段時間的運行，仍然會出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生裂損故障［1］。這說明制動梁靜強度雖然滿足條件，但疲勞強度不一定合格。因此為了提高鐵道客車運行的安全性，有必要進一步對客車制動梁的靜強度和疲勞強度進行分析。

筆者以206型客車制動梁為例，對其進行靜強度和疲勞強度的校核。

1 206型制動梁靜強度分析

1．1 制動梁的組成及結(jié)構(gòu)

206型制動梁是一種直板式制動梁。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 206型制動梁結(jié)構(gòu)圖

1．2 制動梁有限元分析

1．2．1 模型建立

利用Solidworks三維實體軟件對轉(zhuǎn)向架制動梁進行實體建模。由于制動梁的結(jié)構(gòu)和受力的對稱性，現(xiàn)只對制動梁的1/2結(jié)構(gòu)進行建模，并對制動梁的強度分析和變形影響不大的結(jié)構(gòu)進行了適當?shù)暮喕０押喕膶嶓w模型轉(zhuǎn)到有限元Workbench中進行網(wǎng)格劃分，共劃分59 109個單元，129 268個節(jié)點。如圖2所示。

圖2 制動梁有限元模型

1．2．2 邊界約束與載荷施加

根據(jù)制動梁的實際受力情況，在其對稱面上添加對稱約束;制動梁軸與支撐座為面接觸，在接觸面處添加固定約束。對于客車制動梁靜強度的試驗方法，在圖紙上對制動梁的載荷沒有詳細的規(guī)定。但按一般試驗方法應(yīng)加載兩次以上。并規(guī)定客車的實驗載荷［2］如表 1 所列。

由于筆者以206型制動梁為例，現(xiàn)在其一側(cè)拉環(huán)處施加44 kN的力。其邊界約束與載荷如圖3所示。

表1 我國客車制動梁實驗載荷

圖3 制動梁邊界約束與載荷添加

1．2．3 有限元結(jié)果分析

在上述條件下對206型制動梁進行有限元分析，其應(yīng)力分析結(jié)果如圖4，應(yīng)變分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 有限元應(yīng)力分析圖

圖5 有限元應(yīng)變分析圖

由圖4、5可知:制動梁的最大應(yīng)力位于制動梁軸與支承座接觸面上，最大應(yīng)力為95 MPa;制動梁的最大位移位于對稱面處，最大位移為0．55 mm。由于制動梁的材料為 Q235，許用應(yīng)力為 136 MPa［3］，分析的最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值，故該制動梁滿足靜強度要求。

2 206型制動梁疲勞強度分析

2．1 疲勞強度評價方法

評價機械元件疲勞強度的方法通常用疲勞極限圖，且有High圖和Smith圖兩種形式的疲勞極限圖。修正的Goodman-Smith疲勞極限圖考慮了應(yīng)力幅、平均應(yīng)力等影響因素而做出的，此圖常用于鐵道機車車輛結(jié)構(gòu)零部件的疲勞設(shè)計中。也采用這種方法對制動梁進行疲勞強度校核，通過有限元分析得到結(jié)構(gòu)疲勞關(guān)鍵點部位各測點的應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力值，判斷各個測點是否在Goodman-Smith疲勞極限圖封閉曲線的范圍內(nèi)來進行評估。結(jié)合靜強度分析與以往運行的經(jīng)驗，選取了三個關(guān)鍵點，即制動梁軸與支承座接觸處、制動梁軸與制動梁桿連接處、制動梁桿與拉環(huán)接觸處。

以制動梁在啟動和緊急制動［7-8］兩種特殊工況下的應(yīng)力值，來計算各關(guān)鍵點的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值。緊急制動情況下，制動梁的閘瓦壓力FK、摩擦系數(shù)f和制動力F的計算公式［9］為:

式中:dz為制動缸直徑，mm;pz為制動缸空氣壓力，kPa;ηz為基礎(chǔ)制動裝置計算傳動效率;γz為制動倍率;nz為制動缸數(shù);nk為閘瓦數(shù)。

以鐵路車輛［6］在緊急制動最惡劣情況下為例，則v與v0均為零，制動缸的空氣壓力η=420 kPa，傳動效率 η =0．9，K=25 kN，制動缸直徑 d=200 mm［4］。經(jīng)計算可得制動力F=61．7 kN。經(jīng)有限元分析得緊急制動情況下制動梁的最大應(yīng)力為68 MPa，發(fā)生在制動梁桿與拉環(huán)接觸處。

根據(jù)公式(4)、(5)計算得該三個關(guān)鍵點的平均應(yīng)力與應(yīng)力幅值如表2所列。

表2 關(guān)鍵點的平均應(yīng)力與應(yīng)力幅值 /MPa

2．2 Goodman疲勞極限圖繪制

Goodman疲勞極限線圖以最大應(yīng)力、最小應(yīng)力為縱坐標，平均應(yīng)力為橫坐標。圖中能顯示疲勞極限的上應(yīng)力和下應(yīng)力的極限值，且反映了平均應(yīng)力對疲勞極限的上限值、下限值和應(yīng)力幅的影響。

繪制Goodman疲勞極限圖的關(guān)鍵是要測出材料的強度極限σb、屈服極限σyt及對稱循環(huán)下的疲勞極限σ-1N。根據(jù)文獻［5］繪制疲勞極限圖如圖6。

圖6 Goodman疲勞極限線圖

2．3 制動梁的疲勞強度分析

根據(jù)三個關(guān)鍵點的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，在Goodman疲勞強度修正曲線中進行疲勞強度評價。結(jié)果如圖7所示。

圖7 制動梁關(guān)鍵點的疲勞校核圖

由圖7可知，制動梁各關(guān)鍵點均在疲勞極限圖內(nèi)，故滿足疲勞強度要求。

3 結(jié)論

根據(jù)我國客車制動梁運用情況及設(shè)計標準的規(guī)定，制動梁在設(shè)計和制造時，除了要考慮其靜強度的要求，還要考慮列車在運行過程中由于振動而產(chǎn)生的疲勞破壞。筆者針對206型制動梁進行了靜強度分析及其疲勞強度分析，并最終驗證206型制動梁符合我國制動梁的設(shè)計標準。

(1)206型制動梁的最大應(yīng)力發(fā)生在制動梁軸與支承座接觸面上，最大值為95 MPa。該應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，滿足靜強度要求。

(2)206型制動梁易發(fā)生疲勞破壞的危險截面位于制動梁軸與支承座接觸處、制動梁軸與制動梁桿連接處和制動梁桿與拉環(huán)接觸處。通過疲勞極限圖對三個危險截面進行了疲勞強度校核，結(jié)果證明206型制動梁滿足疲勞強度要求。

［1］ 王 俞．轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架制動梁故障分析及對策研究［D］．大連:大連交通大學，2008．

［2］ 鄭回春．車輛制動梁強度與試驗方法研究［J］．鐵道車輛，1994(6):29-32．

［3］ 毛志宏，王 紅，商躍進．轉(zhuǎn)8A弓型制動梁的強度性能研究［J］．蘭州交通大學學報，2004(3):91-93．

［4］ 王洪智，王 紅，商躍進，等．209型客車轉(zhuǎn)向架制動梁的強度性能研究［J］．蘭州交通大學學報，2009(4):121-123+127．

［5］ 趙永翔，楊 冰，彭佳純，等．鐵道車輛疲勞可靠性設(shè)計Goodman-Smith圖的繪制與應(yīng)用［J］．中國鐵道科學，2005(6):8-14．

［6］ 中華人民共和國鐵道部．TB/T 1335-1996鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范［S］．1997．

［7］ 陳建農(nóng)．制動梁的有限元分析［J］．鐵道車輛，2000(1):34-36．

［8］ 董 博，于兆華．鐵道貨車組合式制動梁試驗方法研究［J］．鐵道技術(shù)監(jiān)督，2008(9):8-11．

［9］ 黃問盈，楊寧清，黃 民．列車制動力的二次換算計算［J］．中國鐵道科學，1999(2):69-80．