基于TRIZ創(chuàng)新理論的機(jī)車轉(zhuǎn)向架一系軸箱拉桿裝置研究

楊易++高升輝++朱向陽(yáng)++張沖

摘 要：文章介紹了基于TRIZ創(chuàng)新理論的機(jī)車轉(zhuǎn)向架一系軸箱拉桿裝置研究，通過(guò)TRIZ理論找到一系軸箱拉桿裝置的各種方案。

關(guān)鍵詞：一系軸箱拉桿裝置；TRIZ；系統(tǒng)分析；因果分析；矛盾分析；物場(chǎng)分析

1 概述

TRIZ意譯為發(fā)明問(wèn)題的解決理論，其成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論，可大大加快解決問(wèn)題的進(jìn)程。下面運(yùn)用TRIZ對(duì)一系軸箱拉桿裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，從而找到解決問(wèn)題的方案。

一系軸箱拉桿裝置是鐵路機(jī)車轉(zhuǎn)向架中用于連接軸箱體和構(gòu)架的部件，主要功能是用于提供縱向剛度，附帶提供部分橫向剛度。適宜的剛度是保證機(jī)車運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵，對(duì)機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能有決定性的影響。在一些機(jī)車項(xiàng)目中為了改善轉(zhuǎn)向架的橫向性能，大部分通過(guò)增加一系彈簧的橫向剛度來(lái)提供，但是在一系彈簧垂向剛度一定的情況下，橫向剛度也隨之確定。這時(shí)就必須增加軸箱拉桿的橫向剛度，要求一系軸箱拉桿裝置提供較大的橫向剛度，而目前已有技術(shù)的一系軸箱拉桿裝置提供的橫向剛度則不足以滿足要求。

2 問(wèn)題描述

已有技術(shù)的一系軸箱拉桿裝置用于連接機(jī)車構(gòu)架、輪對(duì)端部的軸箱體，并柔性地傳遞縱向牽引力和制動(dòng)力，同時(shí)提供一定的橫向柔性阻尼力。構(gòu)架、輪對(duì)、兩根軸箱拉桿形成了一個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)的四桿鉸接機(jī)構(gòu)。已有技術(shù)的軸箱拉桿主體為一剛性桿體，其兩端各壓裝有一個(gè)橡膠關(guān)節(jié)。通過(guò)橡膠的變形，橡膠關(guān)節(jié)可相對(duì)于拉桿體發(fā)生偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)、軸向移動(dòng)、徑向移動(dòng)。

當(dāng)輪對(duì)相對(duì)于構(gòu)架發(fā)生橫向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)兩個(gè)軸箱拉桿繞構(gòu)架連接點(diǎn)做平行四邊形擺動(dòng)。軸箱拉桿相對(duì)構(gòu)架連接點(diǎn)偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致拉桿體相對(duì)于兩個(gè)橡膠關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)及軸向移動(dòng)。此時(shí)，軸箱拉桿依靠橡膠關(guān)節(jié)的彈性而具有的橫向回復(fù)能力，稱為橫向剛度（由偏轉(zhuǎn)剛度與軸向剛度合成）。在一般的機(jī)車設(shè)計(jì)中，其值在機(jī)車橫向剛度中占比較小。

3 問(wèn)題分析

3.1 系統(tǒng)分析

針對(duì)問(wèn)題所在，創(chuàng)建組件模型，如圖1所示。

通過(guò)組件模型分析，我們描述了系統(tǒng)中的組件都有哪些以及它們之間的相互關(guān)系，并得出了導(dǎo)致橫向剛度不足可能的一個(gè)功能因素：軸箱拉桿的橫向阻力不足或者橡膠關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)阻力與橫向阻力不足。

3.2 因果分析

通過(guò)因果分析找到問(wèn)題產(chǎn)生的原因，一層層剖析出問(wèn)題的根本原因，如圖2所示。

通過(guò)因果分析，引起拉桿體和橡膠關(guān)節(jié)之間連接的橫向阻力不足的根本原因是：軸箱拉桿橫向剛度不足；一系軸箱拉桿裝置橫向穩(wěn)定性缺乏；一系軸箱拉桿裝置橫向止擋缺乏。

通過(guò)因果分析，得到備選方案1：

針對(duì)一系軸箱拉桿裝置橫向止擋缺乏，在轉(zhuǎn)向架側(cè)面預(yù)先設(shè)置彈性的橫向止擋。當(dāng)拉桿體在橫向力的作用下偏移了一段距離后，橫向止擋開始起作用，防止軸箱拉桿橫向偏移過(guò)度。

4 解決工具

4.1 矛盾分析

根據(jù)因果分析， 取其中一對(duì)兒矛盾進(jìn)行分析。從圖4中可以看出，軸箱拉桿橫向剛度不足的原因是橡膠關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)剛度不足。若通過(guò)減薄橡膠厚度等方法直接增加橡膠關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)剛度，則橡膠關(guān)節(jié)變形減小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力將增大。矛盾中改善的一方是形狀，惡化的一方是應(yīng)力。通過(guò)查找矛盾矩陣，得到4種推薦原理，分別是第10預(yù)先作用原理、第14曲面化原理、第15動(dòng)態(tài)特性原理和第34拋棄或再生原理。

通過(guò)應(yīng)用第10號(hào)創(chuàng)新原理——預(yù)先作用原理，即預(yù)先安置物體，使其在最方便的位置原理，得到備選方案2：橡膠關(guān)節(jié)兩端預(yù)置兩段剛度相對(duì)較大的彈性塊，當(dāng)軸箱拉桿偏轉(zhuǎn)到一定程度時(shí)，彈性塊起作用，以提供較大的橫向剛度，如圖3所示。

4.2 物場(chǎng)分析

建立系統(tǒng)的物場(chǎng)模型，可以揭示技術(shù)系統(tǒng)的功能機(jī)制，描述技術(shù)系統(tǒng)中不同元素之間發(fā)生的不足的、有害的、過(guò)度的和不需要的相互作用，技術(shù)系統(tǒng)物場(chǎng)模型如圖4所示。物場(chǎng)模型顯示橡膠關(guān)節(jié)對(duì)拉桿體的作用不足，即拉桿體橫向阻力不足，應(yīng)用雙系統(tǒng)和多系統(tǒng)的簡(jiǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)解法，考慮使用一種三角拉桿結(jié)構(gòu)，解決問(wèn)題的物場(chǎng)模型如圖5所示。

通過(guò)增加一個(gè)物場(chǎng)，即增加一套橡膠關(guān)節(jié)，兩套橡膠關(guān)節(jié)可使橡膠關(guān)節(jié)對(duì)拉桿體產(chǎn)生足夠的作用。從而得到備選方案3，如圖6所示。

5 方案評(píng)價(jià)

備選方案1：橫向止擋。其優(yōu)點(diǎn)是限制軸箱拉桿橫移量，相當(dāng)于提高了一系軸箱拉桿裝置的橫向剛度；其缺點(diǎn)是剛度不連續(xù)，易產(chǎn)生沖擊。目前，此種方案得到了廣泛應(yīng)用，例如機(jī)車轉(zhuǎn)向架中構(gòu)架上設(shè)有垂向和橫向止擋裝置，保證了車體和轉(zhuǎn)向架之間合理的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。

備選方案2：預(yù)置彈性塊。其優(yōu)點(diǎn)是能有效提高橡膠關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)剛度；其缺點(diǎn)是只能有限提高橡膠關(guān)節(jié)的剛度。目前少有應(yīng)用。

備選方案3：三角拉桿。其優(yōu)點(diǎn)是一定程度上直接提高了軸箱拉桿的橫向剛度；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)及安裝比較復(fù)雜。此種方案在30t大軸重項(xiàng)目、南非20E項(xiàng)目和南非21E項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

30t大軸重項(xiàng)目是株機(jī)公司首個(gè)創(chuàng)新方法研究和示范的項(xiàng)目，此項(xiàng)目中一系軸箱拉桿裝置采用的是三角拉桿方案。

方案中，三角拉桿體可以采用鍛造和鑄造成型方法。通過(guò)比較分析，在鑄造和鍛造都能滿足強(qiáng)度要求的條件下，鑄造擁有更好的經(jīng)濟(jì)性能，且鑄鋼具有良好的強(qiáng)度、韌性等機(jī)械性能，故三角拉桿體的材料選用機(jī)械性能和鑄造性能良好的E級(jí)鋼。

通過(guò)計(jì)算分析得出，三角拉桿不同工況下的應(yīng)力結(jié)果分別小于材料的抗拉極限、屈服極限和疲勞極限，故三角拉桿的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)運(yùn)用TRIZ理論，我們找到了解決問(wèn)題的方法，它指導(dǎo)我們?nèi)绾稳ソ鉀Q問(wèn)題。在工作中，TRIZ將起到越來(lái)越重要的作用。

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