鐵路貨車輕量化牽引桿的研制

金朋迪，孟慶民

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116052)

牽引桿在鐵路貨車長(zhǎng)大編組重載運(yùn)輸中起重要作用，可縮小列車的縱向間隙，降低長(zhǎng)大列車由于間隙效應(yīng)對(duì)縱向動(dòng)力學(xué)性能的影響，同時(shí)顯著提高牽引裝置的疲勞可靠性。為進(jìn)一步降低車輛自重，提高載重能力，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸效益的最大化，在我國(guó)既有鐵路貨車用RFC型牽引桿基礎(chǔ)上研制了新型輕量化牽引桿。新型輕量化牽引桿可替代2個(gè)互相連掛的車鉤，車輛一般為2～5輛一組，適應(yīng)翻車機(jī)作業(yè)。

該新型輕量化牽引桿已經(jīng)在25 t軸重輕量化鋁合金煤炭漏斗車上裝車運(yùn)用，效果良好，目前正積極在國(guó)際市場(chǎng)推廣應(yīng)用。

1 主要結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)重載運(yùn)輸應(yīng)用最為廣泛的是RFC型牽引桿，圖1為RFC型牽引桿和輕量化牽引桿結(jié)構(gòu)對(duì)比。輕量化牽引桿兩端均采用豎穿圓銷孔以及鉤尾球面結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱?？蓪?shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，端部工裝不變，調(diào)節(jié)中部工裝長(zhǎng)度即可實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度牽引桿的制造。

圖1 RFC型牽引桿和輕量化牽引桿結(jié)構(gòu)對(duì)比

輕量化牽引桿桿身遵循截面等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念，將既有的箱形截面優(yōu)化為近圓柱結(jié)構(gòu)，大幅度減輕了單位截面的質(zhì)量；在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，質(zhì)量多分布于距離截面形心較遠(yuǎn)的圓周位置上，增大了慣性矩，使?fàn)恳龡U具有良好的屈曲穩(wěn)定性；牽引桿上部采用無(wú)擋肩結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低了產(chǎn)品自重。另外，此結(jié)構(gòu)也更便于牽引桿內(nèi)腔的清理，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1.1 牽引桿桿身截面壁厚設(shè)計(jì)

根據(jù)失穩(wěn)臨界壓力歐拉公式:

(1)

式中：Pcr——臨界壓力；

E——彈性模量；

I——橫截面最小形心主慣性矩；

l——牽引桿桿長(zhǎng)。

預(yù)留安全裕量，屈曲系數(shù)不低于1.2，可確定牽引桿桿身截面壁厚不低于18 mm。

1.2 牽引桿工藝孔設(shè)計(jì)

為保證結(jié)構(gòu)具有較好的鑄造工藝性，整個(gè)牽引桿共設(shè)置6個(gè)工藝孔，以方便芯體的定位和牽引桿內(nèi)腔的清理，并將工藝孔設(shè)計(jì)為扁圓孔以減少工藝孔處的應(yīng)力集中。為滿足工藝孔處強(qiáng)度，在牽引桿內(nèi)部設(shè)有凸臺(tái)，凸臺(tái)與內(nèi)壁兩側(cè)連接，且最低處與桿身內(nèi)部平齊，既提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又便于排水避免銹蝕。圖2為原牽引桿和新型輕量化牽引桿凸臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)比。

圖2 原牽引桿和輕量化牽引桿凸臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)比

2 主要技術(shù)參數(shù)

表1為輕量化牽引桿主要技術(shù)參數(shù)。

表1 輕量化牽引桿主要技術(shù)參數(shù)

3 主要特點(diǎn)

(1) 輕量化程度高。牽引桿桿身部分根據(jù)截面等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念采用近似圓柱形截面結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和屈曲穩(wěn)定性的前提下，大幅度降低了單位截面質(zhì)量。牽引桿強(qiáng)度儲(chǔ)備較高，從屈曲穩(wěn)定性入手，推導(dǎo)計(jì)算了桿身截面壁厚的極限值。材料利用率高，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)減重20%以上。

(2) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。牽引桿桿身和工藝孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，最小破壞載荷可達(dá)到4 005 kN。大幅輕量化的同時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與RFC型牽引桿相當(dāng)，且具有較高的強(qiáng)度安全裕量。

(3) 模塊化程度高。采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)中部工裝長(zhǎng)度可實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度牽引桿的制造，適應(yīng)不同車輛的使用需求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化，進(jìn)一步降低綜合制造成本。

(4) 通用性好。牽引桿可通過(guò)鉤尾銷與既有17型鉤尾框連接，且與既有安裝方式相同。

(5) 耐磨性能好。牽引桿采用E級(jí)鋼制造，提高了鉤體、鉤舌的耐磨性能，同時(shí)鉤尾銷孔及尾部球面也進(jìn)行了表面硬化處理，提高了鉤尾配合部位的耐磨性，降低了檢修工作量和成本。

(6) 綜合性價(jià)比高。牽引桿為鑄造件，減重是最直接、最顯著的降本方式。桿身和工藝孔結(jié)構(gòu)便于內(nèi)腔清理，降低工藝孔處應(yīng)力集中，便于排水以避免銹蝕，降低使用維護(hù)成本。產(chǎn)品制造和檢修維護(hù)綜合性價(jià)比優(yōu)，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 仿真分析

采用NX CAE非線性仿真軟件分析了輕量化牽引桿在4 005 kN拉伸載荷和4 000 kN壓縮載荷2種工況下的應(yīng)力情況。分析結(jié)果顯示：

(1) 輕量化牽引桿在4 005 kN拉伸載荷作用下，主要受力部位在鉤尾銷孔區(qū)域，且最大應(yīng)力在抗拉強(qiáng)度以下，與既有牽引桿應(yīng)力相當(dāng)；

(2) 在4 000 kN壓縮伸載荷作用下，屈曲系數(shù)大于1，符合使用要求。

5 試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證輕量化牽引桿的強(qiáng)度滿足要求，對(duì)試制的輕量化牽引桿進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)(圖3)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：

圖3 牽引桿靜載荷試驗(yàn)

(1) 牽引桿的最小破壞載荷符合規(guī)定的4 005 kN的要求；

(2) 在2 000 kN拉伸載荷作用下最大永久變形符合規(guī)定的≤1 mm的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

在繼承既有貨車牽引桿成熟結(jié)構(gòu)及運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上研發(fā)的輕量化牽引桿，具有輕量化及模塊化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度高、耐磨和綜合性價(jià)比優(yōu)等特點(diǎn)，可降低車輛自重，減少列車縱向沖動(dòng)，可滿足重載運(yùn)輸貨車使用需要，在一定程度上提高了鐵路貨車牽引桿技術(shù)水平，同時(shí)在國(guó)際重載運(yùn)輸市場(chǎng)也有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。