鐵路貨車心盤試驗(yàn)裝置的改進(jìn)與應(yīng)用

李 威，蔡世超，蘇硯幫

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266031)

鐵路貨車心盤作為關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞直接影響車輛運(yùn)行性能及運(yùn)輸安全。貨車的上下心盤接觸面為平面，車體的垂向載荷通過心盤平面?zhèn)鞯睫D(zhuǎn)向架上，縱向、橫向載荷由下心盤四周凸緣傳遞。目前，對(duì)于鐵路貨車上心盤考核的主要依據(jù)是TB/T 3011—2001《鐵道通用貨車上心盤疲勞試驗(yàn)及評(píng)定方法》、TB/T 46—2015《鐵道車輛心盤》，標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)鐵路貨車鍛造上心盤進(jìn)行600萬次疲勞試驗(yàn)。

1 原心盤試驗(yàn)裝置及存在問題

圖1是滿足TB/T 3011—2001規(guī)定的原心盤試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)。為了保障試驗(yàn)的穩(wěn)定性，利用原心盤疲勞試驗(yàn)裝置試驗(yàn)時(shí)將上心盤試樣和中枕梁結(jié)點(diǎn)部件一起反扣在基座上。同時(shí)，為模擬上心盤承載惡劣的側(cè)滾工況，通過加墊板的方式將中枕梁結(jié)點(diǎn)部件與基座水平面成1.6°的夾角，該夾角與車輛側(cè)滾時(shí)上下心盤的最大傾角相等。平衡架分別連接支撐架、疲勞試驗(yàn)設(shè)備動(dòng)力壓頭和下心盤，保證下心盤在試驗(yàn)時(shí)保持水平。

S.上心盤偏移量(由上心盤直徑及斜削棱線確定)。

原心盤試驗(yàn)裝置是依據(jù)TB/T 3011—2001設(shè)計(jì)的，已使用了多年，這期間我國(guó)鐵路貨車轉(zhuǎn)向架有了長(zhǎng)足的發(fā)展，相繼研發(fā)了轉(zhuǎn)8G、轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K6、DZ1、DZ2、DZ5型等多型號(hào)轉(zhuǎn)向架，軸重從21 t也逐漸增加到25 t、27 t和30 t等，單一規(guī)格的試驗(yàn)裝置已經(jīng)滿足不了多種型號(hào)轉(zhuǎn)向架心盤疲勞試驗(yàn)的需求，而如果針對(duì)每一型號(hào)心盤均設(shè)計(jì)、制造特定的試驗(yàn)裝置，制造成本、管理成本太高。目前原心盤試驗(yàn)裝置存在的問題有：

(1) 基座和中枕梁結(jié)點(diǎn)部件體積和質(zhì)量大，制造費(fèi)用高，管理成本和存儲(chǔ)成本也相對(duì)較高；

(2) 支撐架和平衡架穩(wěn)定性較差，試驗(yàn)加載頻率超過3 Hz后容易失穩(wěn)，因此試驗(yàn)中加載頻率一般無法超過3 Hz，單件心盤疲勞試驗(yàn)就需要23天，試驗(yàn)效率低。

2 改進(jìn)型心盤疲勞試驗(yàn)裝置

目前常用鐵路貨車轉(zhuǎn)向架心盤尺寸見圖2和表1。

圖2 上心盤產(chǎn)品尺寸示意圖

表1 常用鐵路貨車上心盤尺寸

2.1 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)原試驗(yàn)裝置存在的問題，本著通用化、模塊化、精益化的試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)理念，以改善不良狀況為目標(biāo)，設(shè)計(jì)制造了改進(jìn)型心盤試驗(yàn)裝置，如圖3和圖4所示。與原試驗(yàn)裝置相比，改進(jìn)型試驗(yàn)裝置去除了中枕梁結(jié)點(diǎn)部件，將上心盤試樣直接與基座相連，基座上表面直接機(jī)加工出1.6°角的斜面。下心盤與平衡板連接，平衡板開多個(gè)連接孔，可適用目前所有型號(hào)下心盤。將原有支撐架、平衡架的模式改成垂向?qū)е又本€軸承的配合模式，使試驗(yàn)過程中施加載荷時(shí)下心盤保持水平。

圖3 改進(jìn)型心盤試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

圖4 改進(jìn)型心盤試驗(yàn)裝置三維圖

2.2 優(yōu)點(diǎn)分析

(1) 對(duì)目前常用鐵路貨車心盤尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用通用化、模塊化設(shè)計(jì)，平衡板裝置適合多型號(hào)的產(chǎn)品。

(2) 采用輕量化、簡(jiǎn)易化設(shè)計(jì)，去除了原試驗(yàn)裝置中的中枕梁結(jié)點(diǎn)部件、支撐架，大幅簡(jiǎn)化基座部件。

(3) 直接將基座上表面與水平面夾角設(shè)計(jì)為1.6°，與通過墊板調(diào)整為1.6°的方式相比，試件安裝更加便捷，加載穩(wěn)定性更好。平衡板、直線軸承、導(dǎo)柱可保證試驗(yàn)過程中下心盤處于水平狀態(tài)，穩(wěn)定性更好。

(4) 加載頻率可滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3～8 Hz的要求。

(5) 參照表1列出的目前常用的8種規(guī)格上心盤，以每年各型號(hào)規(guī)格僅試驗(yàn)1件為例，如果使用原心盤試驗(yàn)裝置進(jìn)行心盤試驗(yàn)，需設(shè)計(jì)多套支撐架、平衡架，試驗(yàn)周期為184天。而使用改進(jìn)型心盤試驗(yàn)裝置只需設(shè)計(jì)1套平衡板裝置、垂向?qū)е?，按照?biāo)準(zhǔn)中要求的最高加載頻率8 Hz計(jì)算，試驗(yàn)周期最短只需70天，大幅降低了工裝制造費(fèi)用，提高了試驗(yàn)效率。

3 試驗(yàn)

3.1 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)載荷及試驗(yàn)方法

由于到目前為止貨車上心盤的靜強(qiáng)度試驗(yàn)還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可參考，靜強(qiáng)度試驗(yàn)施加的載荷采用以往的試驗(yàn)載荷，載荷值分別為108 kN、484 kN、578 kN、618 kN。以23 t軸重貨車上心盤為例，靜強(qiáng)度試驗(yàn)共有24個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 靜強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

原有試驗(yàn)裝置和新試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)心盤放置和載荷施加情況分別見圖1和圖3。靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，心盤安裝面朝下放在專用試驗(yàn)工裝上，心盤與工裝之間加一定厚度的墊片。工裝連同心盤一起傾斜1.6°。下心盤反扣在上心盤上，水平放置，載荷加在下心盤上，其作用線為上心盤的削斜棱線，以模擬心盤在車體側(cè)滾時(shí)的受力狀態(tài)，并測(cè)定應(yīng)變分布情況。為了模擬上心盤安裝平面的不平度，試驗(yàn)中在上心盤安裝接觸面加75 mm×40 mm×1.5 mm的鋼質(zhì)墊片，墊片硬度不低于160 HBS。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

靜強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)變較大測(cè)點(diǎn)分別發(fā)生在測(cè)點(diǎn)7、8、11、12、18、24，2種試驗(yàn)裝置加裝厚度為1.5 mm墊片后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變見表2。由表2可以看出，原試驗(yàn)裝置測(cè)得的靜強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)7，其應(yīng)變值為2 167×10-6，改進(jìn)型試驗(yàn)裝置測(cè)得的靜強(qiáng)度最大值仍出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)7，其應(yīng)變值為2 104 ×10-6。2種試驗(yàn)裝置的靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值和應(yīng)變分布趨勢(shì)基本一致。

表2 2種心盤疲勞試驗(yàn)裝置靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 ×10-6

3.2 疲勞試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法及計(jì)算公式

TB/T 3011—2001規(guī)定，疲勞試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)裝置應(yīng)能模擬貨車上心盤在運(yùn)行時(shí)車體側(cè)滾狀態(tài)下的受力情況；動(dòng)力壓頭與心盤中心應(yīng)根據(jù)相應(yīng)試件規(guī)格偏移相應(yīng)距離，使載荷作用在削斜棱線上；為了模擬上心盤安裝平面的不平度，試驗(yàn)中在上心盤的安裝接觸面加75 mm×40 mm×1 mm的鋼質(zhì)墊片，墊片硬度不低于160 HBS；載荷加載位置同靜強(qiáng)度試驗(yàn)，疲勞加載波形為正弦波，加載頻率為3～8 Hz；要求鍛鋼上心盤試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)到600萬次；試驗(yàn)時(shí)，每進(jìn)行一定循環(huán)次數(shù)后，停機(jī)檢查試件狀況。

試驗(yàn)載荷平均值Pa計(jì)算公式為：

Pa=(n×G-H)×g

(1)

式中：n——一臺(tái)轉(zhuǎn)向架的軸數(shù)；

G——軸重；

H——一臺(tái)轉(zhuǎn)向架的自重；

g——重力加速度。

利用式(1)可以得出應(yīng)力循環(huán)特征r=Pmin/Pmax=0.22。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

改進(jìn)型試驗(yàn)裝置進(jìn)行疲勞試驗(yàn)后被試件的狀態(tài)見圖6，圖6中的發(fā)亮部位為疲勞試驗(yàn)中的載荷施加位置，基本是在上心盤的削斜棱線上，表明新試驗(yàn)裝置的疲勞試驗(yàn)加載受力位置及狀態(tài)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 疲勞試驗(yàn)后被試件狀態(tài)

4 結(jié)束語

綜上所述，采用改進(jìn)型心盤試驗(yàn)裝置進(jìn)行心盤試驗(yàn)，不但滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)疲勞試驗(yàn)的各項(xiàng)要求，而且加載產(chǎn)生應(yīng)力趨勢(shì)基本符合原試驗(yàn)裝置試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)改進(jìn)型心盤試驗(yàn)裝置做到了通用化、模塊化設(shè)計(jì)，具有輕量化和簡(jiǎn)易化的優(yōu)點(diǎn)，因此，改進(jìn)型心盤試驗(yàn)裝置在滿足TB/T 3011—2001的要求基礎(chǔ)上較大地提升了試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本，節(jié)約了試驗(yàn)資源，建議在未來心盤標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)納入。