公鐵車小曲線走行部結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

辛飛飛, 王玉鵬， 趙峰強， 李梁京， 王宗偉

(中車四方車輛有限公司， 山東青島 266111)

原公鐵車鐵路走行部在線路上運行時，曾多次發(fā)生豎轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)臂斷裂事故。因此重新研制開發(fā)適用鐵路25 m小半徑曲線鐵路的走行部迫在眉睫。

圖1 原淮安公鐵車鐵路走行部

目前，在國內(nèi)基于梅賽德斯-奔馳的烏尼莫克品牌U400、U423型多功能卡車底盤改造的鐵路走行部，能夠通過的最小曲線半徑為35 m，卻無法通過鐵路25 m小曲線半徑。該鐵路走行部的研制，開拓了能夠通過鐵路25 m半徑曲線的公鐵車市場，解決了公鐵車在無法通過25 m半徑鐵路曲線這一難題。

1 走行部結(jié)構(gòu)簡介

1.1 方案簡介

為解決走行部小曲線通過這一難題，該鐵路走行部設(shè)有回轉(zhuǎn)支承。通過回轉(zhuǎn)支承實現(xiàn)車輛在曲線通過過程中，車體與導向機構(gòu)的相對轉(zhuǎn)動。同時，該導向機構(gòu)設(shè)有復位裝置，當車體與走行部大于一定轉(zhuǎn)角后，復位裝置迫使車體隨導向機構(gòu)轉(zhuǎn)動，進而完成曲線通過。

1.2 結(jié)構(gòu)介紹

鐵路走行部分為前走行部和后走行部。前、后走行部除了與車橋連接部位不同，其余結(jié)構(gòu)相似，均為通過回轉(zhuǎn)支承上安裝座的U型螺栓+左右兩側(cè)的螺栓與車橋連接。每個鐵路走行部主要由回轉(zhuǎn)支承上安裝座、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)支承下安裝座、升降轉(zhuǎn)臂、導向油缸、導向復位機構(gòu)、橡膠止擋、輪軸組成、位置傳感器等組成。

1-輪軸組成； 2-轉(zhuǎn)臂組成；3-回轉(zhuǎn)支承下安裝座；4-回轉(zhuǎn)支承上安裝座； 5-導向油缸。圖2 走行部組成

回轉(zhuǎn)支承上安裝座為焊接組成件，負責連接車橋和回轉(zhuǎn)支承，與車橋通過U型螺栓+普通螺栓桿連接。

回轉(zhuǎn)支承安裝于回轉(zhuǎn)支承上、下安裝座之間，負責導向機構(gòu)在車輛曲線通過時的轉(zhuǎn)向。

轉(zhuǎn)支承下安裝座為焊接組成件，負責連接回轉(zhuǎn)支承和升降轉(zhuǎn)臂，同時導向復位機構(gòu)安裝在其下部。

升降轉(zhuǎn)臂為焊接件，一端通過鉸接連接轉(zhuǎn)支承下安裝座，另一端通過螺栓連接輪軸機構(gòu)。

導向油缸兩端鉸接安裝，兩端分別連接同一導向機構(gòu)的輪軸組成。液壓系統(tǒng)要求帶有壓力補償和阻尼系統(tǒng)，導向油缸收縮時，導向輪下落至軌道，此時壓力恒定在6 MPa；當導向缸伸長時，導向輪升起，此時壓力為零。在公路狀態(tài)下，要求導向油缸帶有液壓鎖裝置。

導向復位機構(gòu)主要由壓板、橡膠塊等組成。導向裝置可以繞自身結(jié)構(gòu)中心進行回轉(zhuǎn)，而導向復位機構(gòu)則用來限制導向裝置的回轉(zhuǎn)，能夠起到自動復位功能。當車輛上軌時，導向裝置下降過程中，導向復位機構(gòu)能夠保持導向機構(gòu)始終與車輛平行，使其不能隨意轉(zhuǎn)動，便于落入軌道。當車輛已經(jīng)通過小曲線進入平直道，導向復位機構(gòu)能夠主動使導向機構(gòu)快速回正，而不是被動的依靠導向輪緣回正。

橡膠止擋，當導向裝置升起后，橡膠止擋起到限位作用，限制導向裝置向上運動，同時限制導向裝置繞自身轉(zhuǎn)動。此時，位置傳感器接收到信號后提示導向裝置已經(jīng)到位。導向油缸停止動作，駕駛室內(nèi)顯示液壓壓力為零。

1.3 主要參數(shù)

該鐵路走行部主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 走行部主要技術(shù)參數(shù)

2 升降原理

導向機構(gòu)采用等腰梯形四連桿機構(gòu)，如圖3所示，AB為機架，AC、BD為升降轉(zhuǎn)臂，CD為導向油缸伸縮機構(gòu)，其中AC=BD。通過導向油缸的伸長和收縮實現(xiàn)導向機構(gòu)的升降。

ABCD為公路狀態(tài)，導向油缸伸長，導向輪提升，此時，有桿腔出油，無桿腔進油，有桿腔壓力為零，駕駛室顯示壓力為零，見油缸進出油示意圖4(a)。

圖3 等腰梯形原理

圖4 油缸進出油示意圖

AB C′D′為鐵路狀態(tài)，導向油缸收縮，導向輪下落至軌道上，導向油缸有桿腔進油，無桿腔出油，此時有桿腔壓力為6 MPa，駕駛室顯示壓力為6 MPa，見油缸進出油示意圖4(b)。

查閱機械設(shè)計手冊，現(xiàn)定缸徑為50 mm，桿徑為35 mm。

油缸壓力：

Ft=Pa·S=6.005(kN)

式中，F(xiàn)t為標示油缸推力；

Pa為標示油缸壓力；

S為標示面積。

以圖3中B點為轉(zhuǎn)動中心，受力分析圖見圖5，力矩分析得：

Ft×245=FD×397.2

則，單個導向輪承受垂向力：

FD=3.7(kN)

分析得前后導向機構(gòu)承受的總垂向力為約3.02 t。

整車整備質(zhì)量11.9 t，空車質(zhì)量為9.9 t(去除水箱水重2 t)，則導向機構(gòu)分配質(zhì)量占整車質(zhì)量百分比約為25%～30%之間。比重分配相對較為合理。

圖5 受力分析

3 曲線通過分析

原淮安公鐵車導向裝置前后定距為4 617 mm，其在25 m曲線上通過情況見圖6?，F(xiàn)場測繪得知，輪胎胎面寬度為200 mm，中心距1 574 mm，圖解法分析，內(nèi)側(cè)后輪已經(jīng)懸空。

圖6 定距4 617 mm在25 m曲線通過情況

新型導向裝置前后定距為3 080 mm，為奔馳底盤車的橋距。采用圖解法對新型導向機構(gòu)進行曲線通過分析，見圖7。當車輛在25 m半徑曲線時，在導向機構(gòu)導向作用下，曲線內(nèi)側(cè)的橡膠輪胎作為過曲線時候的轉(zhuǎn)動支點，承受較大摩擦阻力，曲線外側(cè)橡膠輪胎繞內(nèi)側(cè)輪胎轉(zhuǎn)動，阻力較小。

從圖7看出，橡膠輪胎能夠全部落在25 m曲線軌道上。

圖7 定距3 080 mm在25 m曲線通過情況

4 仿真分析

4.1 計算輸入

該走行部主要計算參數(shù)如表2所示。

該鐵路導向機構(gòu)主要采用Q345C鋼材料，計算載荷依據(jù)鐵路標準TB/T 2637進行確定。計算工況見表3。

表2 走行部主要計算參數(shù)

表3 走行部計算工況

中間部位回轉(zhuǎn)軸承支撐安裝面施加全約束，縱向載荷、垂向載荷均勻加載到4個輪軸上，橫向載荷均勻加載到一側(cè)的兩個輪軸上。

4.2 仿真結(jié)果

由計算結(jié)果可知:該走行部整體結(jié)構(gòu)應力最大值為179.398 MPa，小于材料的屈服強度345 MPa，最大應力點位于車軸組成出?；剞D(zhuǎn)支撐下安裝座應力最大值79.87 MPa，小于屈服強度345 MPa，靠近安裝座處；轉(zhuǎn)臂組成應力最大值為100.28 MPa，小于屈服強度345 MPa，位于轉(zhuǎn)臂梁的根部；車軸組成應力最大值為179.398 MPa，小于屈服強度345 MPa，位于靠近油缸座處。

結(jié)論：該鐵路走行部的靜強度滿足使用要求。

圖8 走行部關(guān)鍵部件的應力云圖

5 試驗驗證

5.1 線路條件

城陽青島公交集團軌道巴士有限公司車輛段內(nèi)進行該公鐵車走行部25 m小曲線通過試驗。試驗車輛輪胎胎面寬度200 mm，輪胎中心寬度1 574 mm，前后橋距3 080 mm，軌道寬度70 mm。

5.2 結(jié)果分析

現(xiàn)場測量輪胎外側(cè)與軌道外側(cè)距離，見圖9。

圖9 線路試驗結(jié)果圖

現(xiàn)場通過25 m曲線時，公鐵車以5 km/h速度正反進行了多次試驗，均能順利通過25 m半徑曲線。曲線通過時的輪胎與軌面接觸情況數(shù)據(jù)見圖9。試驗結(jié)果表明，該公鐵車通過25 m曲線時，最惡劣的輪軌接觸出現(xiàn)在彎道內(nèi)側(cè)后輪處，即BL輪胎，輪胎內(nèi)側(cè)與鋼輪內(nèi)側(cè)基本平齊，但輪胎是完全接觸在軌面上，不影響25 m 曲線通過性能。

6 結(jié)束語

該鐵路走行部為完全自主研發(fā)機構(gòu)，首次將回轉(zhuǎn)支承應用于導向機構(gòu)中，解決了公鐵車小曲線通過易脫軌的難題，填補了國內(nèi)基于25 m小曲線公鐵車鐵路走行部的空白，該走行部的成功研制進一步擴展了公司公鐵車走行部產(chǎn)品種類，為后續(xù)的產(chǎn)品研發(fā)打下基礎(chǔ)。

該導向機構(gòu)已運用并通過運行考核，目前在淮安、武漢、東莞等地運行良好，以上結(jié)果表明該鐵路走行部在滿足運行平穩(wěn)要求的條件下，在曲線通過性能方面具有明顯的優(yōu)勢，尤其適用于小半徑曲線的軌道線路。