轉(zhuǎn)向架懸臂件振動沖擊試驗研究

秦 烺， 沈龍江， 陳國勝， 申長宏， 程 雄

(大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室， 湖南株洲 412001)

根據(jù)IEC 61373、EN 13749等標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)開展的線路振動試驗研究[1]，軌道車輛轉(zhuǎn)向架上的設(shè)備承受的載荷比較大，再考慮受到可能的車輪多邊形激振[1]、踏面剝離、軌道波磨等異常情況的影響，其運行工況較為惡劣。根據(jù)運用經(jīng)驗，腳蹬[1]、掃石器[2-3]、撒沙支架等若采用懸臂式結(jié)構(gòu)其開裂風(fēng)險較大[2]，壽命較短，以基于IEC 61373的腳蹬裝置振動沖擊試驗為例闡述了試驗過程、故障原因分析、處理措施等，通過試驗有效排除了潛在故障從而提高了部件可靠性水平。

1 試驗過程說明

如圖1所示，被測的腳蹬裝置由兩件側(cè)立板(材料Q460E)、上級和下級各3根腳蹬連接桿(材料35CrMoA)和一件腳踏板、側(cè)立板上安裝的油脂罐等組成。試驗中油脂罐用質(zhì)量塊代替，整套腳蹬裝置模擬在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的安裝狀態(tài)固定在試驗臺的工裝上，試驗設(shè)備在控制點按IEC 61373 類型2安裝在轉(zhuǎn)向架的長壽命ASD頻譜輸出5～150 Hz振動載荷，在橫向、縱向、垂向3個方向上分別按標(biāo)準(zhǔn)均方根值試驗持續(xù)5 h無異常，則試驗通過。

圖1 腳蹬裝置振動沖擊試驗發(fā)生斷裂故障

試驗測得加速度值由控制點到加速度測點1和2逐漸增大。首次試驗在橫向5 h完成后縱向加載不滿5 h 發(fā)生故障，如圖2所示腳蹬連接桿螺栓部分根部斷裂。后續(xù)通過調(diào)整潤滑方式、力矩大小、墊圈材質(zhì)等方式進行了多次優(yōu)化試驗直至故障消除，主要情況見表1。

圖2 腳蹬連接桿螺栓部分斷裂前后對比圖

2 試驗對比分析

根據(jù)表1中試驗2腳蹬上級最內(nèi)側(cè)腳蹬連接桿發(fā)生斷裂后無操作繼續(xù)試驗5 h無異常可知，該桿處存在應(yīng)力集中；對比試驗1～4可知，在應(yīng)力集中的情況下，通過調(diào)整扭矩或潤滑方式都無法避免發(fā)生斷裂，可見預(yù)緊力的大小不是關(guān)鍵影響因素；對比試驗5和6可知，必須對上級所有腳蹬連接桿改金屬墊為橡膠墊才能通過試驗。

表1 腳蹬裝置振動沖擊試驗過程

通過對比分析結(jié)合文獻[2]推斷，靠近腳蹬裝置懸臂結(jié)構(gòu)根部的連接桿存在應(yīng)力集中是斷裂的主要原因，而橡膠墊的加入消除了應(yīng)力集中，以下將從斷口分析、有限元分析、螺栓連接校核、橡膠墊的影響等方面進行深入闡述。

3 斷口分析

如圖3所示，該腳蹬連接桿斷口分析為高周低載疲勞斷裂，疲勞源1為掛油脂罐側(cè)，由于兩側(cè)受重力方向上的力不同，斷面沿桿軸向約45°夾角方向擴展，裂紋擴展到一定時期從疲勞源2處起裂，向相反方向擴展，兩側(cè)同時擴展，直至最終斷裂。由于腳蹬上級最內(nèi)側(cè)連接桿油脂罐側(cè)螺栓部分離油脂罐最遠而離構(gòu)架安裝面最近，故其根部發(fā)生應(yīng)力集中斷裂。

圖3 腳蹬連接桿斷面宏觀形貌圖

4 有限元分析

(1)靜強度分析

對比圖1中實測加速度測點1、2和控制點振動加速度由上至下逐步加大，這與懸臂式結(jié)構(gòu)有關(guān)，而靜強度分析無法模擬該工況，故采用Workbench均勻施加平均15g縱向載荷與重力載荷并約束安裝面，全金屬腳蹬裝置應(yīng)力云圖如圖4所示。最大應(yīng)力324 MPa相對于35CrMoA實測屈服強度823 MPa有較大安全余量，但該應(yīng)力計算未考慮腳蹬連接桿兩端螺栓連接預(yù)緊力的影響。最大應(yīng)力位置處于腳蹬上級最內(nèi)側(cè)連接桿油脂罐側(cè)螺栓部分附近，且由下級向上級、由外側(cè)向內(nèi)側(cè)各腳蹬連接桿承受的應(yīng)力大小和范圍逐漸加大。

圖4 全金屬腳蹬裝置應(yīng)力云圖

(2)模態(tài)分析

從上述計算圖4中可以看出腳蹬裝置主振型為縱向擺動，同樣的振動加速度加載在縱向上產(chǎn)生的應(yīng)力大于橫向或垂向，這是本試驗在縱向加載時發(fā)生故障的首要原因。

圖5 腳蹬裝置變形和受力分析圖

圖5中包含上述計算的變形圖，圖中白色區(qū)域變形量趨近于0，而往下區(qū)域縱向擺動變形量逐步加大，其中白色與藍色交界線方向與圖2、圖3中腳蹬連接桿斷口裂紋方向一致。

圖5中還包含一種近似的受力分析圖，將腳蹬油脂罐側(cè)下方載荷點F油集中于油脂罐處并加載平均加速度，該載荷點與腳蹬連接桿載荷點F桿連線至上述變形交界處支點形成懸臂梁，F(xiàn)油與F桿達到力矩平衡。由于F桿的力臂遠小于F油，故F桿被集中放大，從而可能使腳蹬連接桿的螺栓部分強度不足而發(fā)生斷裂。

5 螺栓連接校核

根據(jù)圖5的受力分析，設(shè)定F油為15 kg，平均加速度15g，由力矩平衡可得：

F桿=F油×L2/L1=15×15×

9.81×24.3=53 636 N

以試驗1計算螺紋連接預(yù)緊力：F′=T/K/d=70/0.2/0.012=29 167 N，其中擰緊力矩系數(shù)K根據(jù)鍍鋅螺栓打樂泰膠選0.2，d為螺栓直徑。

螺紋連接總拉力：F0=F′+KCF桿=29 167+0.25×53 636= 42 576 N，其中相對剛度系數(shù)KC一般取0.2～0.3。

拉應(yīng)力強度：σ=1.3F0/As=1.3×42 576/80.2=690 (MPa)

拉應(yīng)力安全系數(shù)：Sσ=σs/σ=823/690=1.19，該值對于控制預(yù)緊力的螺紋連接一般取1.2～1.5，拉應(yīng)力強度偏低。

6 橡膠墊的影響

圖6為模擬試驗5僅對上級最內(nèi)側(cè)桿兩端加橡膠墊的靜強度計算結(jié)果，計算時將橡膠部分賦予一般橡膠材料的彈性模量和泊松比[4]，計算結(jié)果最大應(yīng)力水平降低，但應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到了上級中間連接桿處，故試驗時間增加但仍未通過試驗。對比圖4可知更換了橡膠墊的腳蹬連接桿不再作為主要受力組件了，這是由于橡膠元件的阻尼特性和多向剛度特性[5]，通過柔性連接[6]，通過腳蹬側(cè)立板往連接桿傳遞的載荷被屏蔽或大幅度衰減、損耗。

圖6 上級最內(nèi)側(cè)桿換橡膠墊的應(yīng)力云圖

圖7 上級桿全部換橡膠墊的應(yīng)力云圖

圖7為模擬試驗6中對上級所有腳蹬連接桿更換橡膠墊的應(yīng)力云圖，其最大應(yīng)力比試驗5大但仍在側(cè)立板材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，處于側(cè)立板靠近安裝面的折彎圓弧區(qū)域，試驗獲得通過。

7 結(jié)束語

通過本試驗的開展得到的啟示如下：

(1)懸臂件從安裝面至最遠端振動加速度和變形量逐漸加大，轉(zhuǎn)向架上使用懸臂件應(yīng)盡量減小懸臂長度和減輕懸臂遠端載荷以降低應(yīng)力，例如本試驗中的腳蹬裝置應(yīng)盡量避免油脂罐的集成安裝；

(2)懸臂件中使用螺栓連接結(jié)構(gòu)的強度分析不同于普通校核，應(yīng)避免螺栓連接區(qū)域應(yīng)力集中；

(3)懸臂件中強度薄弱的應(yīng)力集中點，可以利用橡膠墊等彈性元件的柔性連接加以保護，從而消除故障；

(4)通過振動沖擊試驗可以排查出故障缺陷或薄弱點，再通過設(shè)計優(yōu)化解決故障，從而有效提高可靠性水平，這對轉(zhuǎn)向架部件特別是懸臂件的改進很有意義。