重載貨車轉(zhuǎn)向架搖枕試驗研究

蘇硯幫 蔡世超 封立琪

摘要：簡要介紹了國內(nèi)重載貨車轉(zhuǎn)向架的種類、結(jié)構(gòu)，結(jié)合臺架試驗，校核了DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜強度與疲勞強度。同時，對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕進行了疲勞損傷分析。

關(guān)鍵詞：重載;搖枕;靜強度;疲勞損傷

中圖分類號：U270.38+8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0080-03

0? 引言

重載運輸可以大幅提高運輸能力和運營收入，降低維修成本，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢明顯，各國通過發(fā)展重載運輸均取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益[1]。美國通過大力發(fā)展重載運輸，在1981-2000年，I級鐵路總生產(chǎn)效率提高了173%，運價降低了29%[2]。目前，我國鐵路貨車運營速度普遍達到120km/h，為了進一步提高貨運能力，提高貨車軸重，研制重載貨車，是我國發(fā)展鐵路貨運的必要措施。

在前期研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)貨車設(shè)計制造企業(yè)、科研院所、高校持續(xù)攻關(guān)，在重載貨車轉(zhuǎn)向架、車體輕量化、列車縱向沖擊等技術(shù)領(lǐng)域取得了突破[3]。2009年開始，陸續(xù)研制了不同類型的27t軸重貨車和30t軸重貨車。

1? 重載貨車轉(zhuǎn)向架種類

近幾年，在大軸重貨車轉(zhuǎn)向架低動力作用、高可靠性輪軸和軸承等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得較大進展，開發(fā)研制適合我國國情的大軸重貨車轉(zhuǎn)向架，實現(xiàn)了重載技術(shù)新跨越。國內(nèi)各主機制造企業(yè)陸續(xù)研制了27t軸重DZ1型、DZ2型、DZ3型以及30t軸重DZ4型、DZ5型、30t軸重副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架。

1.1 27t軸重轉(zhuǎn)向架（圖1）

1.1.1 DZ1型轉(zhuǎn)向架

DZ1型轉(zhuǎn)向架是27 t軸重交叉支撐式轉(zhuǎn)向架，技術(shù)原理、基本結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架相似，主要變化是采用了八字形軸箱橡膠墊，提升了低動力作用性能，采用了直徑915mm的車輪，并提高車輪硬度，進一步降低輪軌間接觸應(yīng)力，采用了CJC系列長行程彈性旁承。

1.1.2 DZ2型轉(zhuǎn)向架

DZ2型轉(zhuǎn)向架是27t軸重擺動式轉(zhuǎn)向架，技術(shù)原理與轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架相似，主要變化是一系為軸箱橡膠彈性懸掛結(jié)構(gòu)，選用直徑915 mm的車輪，提高車輪硬度，采用了CZC系列長行程彈性旁承。

1.1.3 DZ3型轉(zhuǎn)向架

DZ3型轉(zhuǎn)向架是27 t軸重副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，是在轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架運用經(jīng)驗和相關(guān)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上研制的。與轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架相比，主要變化是搖枕、側(cè)架全部實現(xiàn)了無焊接設(shè)計，承載鞍與副構(gòu)架分體設(shè)計，采用了新型“V”型長行程常接觸彈性旁承。

1.2 30t軸重轉(zhuǎn)向架（圖2）

1.2.1 DZ4型轉(zhuǎn)向架

DZ4型轉(zhuǎn)向架是30t軸重交叉支撐式轉(zhuǎn)向架，基本結(jié)構(gòu)與DZ1型轉(zhuǎn)向架相似，除搖枕、側(cè)架、彈簧減振裝置外其余零部件均能與轉(zhuǎn)K6、DZ1型轉(zhuǎn)向架通用，通用化和模塊化程度高。與DZ1型轉(zhuǎn)向架相比，主要變化是轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動不同，由于車輛設(shè)計結(jié)構(gòu)和車輛自重的要求采用了BAB-1型集成制動裝置。

1.2.2 DZ5型轉(zhuǎn)向架

DZ5型轉(zhuǎn)向架是30 t軸重擺動式轉(zhuǎn)向架，基本結(jié)構(gòu)與DZ2型轉(zhuǎn)向架相似，具有較高的通用化和模塊化程度。與DZ2型轉(zhuǎn)向架相比，DZ5型轉(zhuǎn)向架其主要變化是轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動不同，采用了DAB-1型集成制動裝置。

1.2.3 30t軸重副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架

30t軸重副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架是在融合北美DR和AR自導向徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)和總結(jié)副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架設(shè)計運用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上研制的。采用了寬導框承載鞍、八字形軸箱橡膠堆彈性定位，簡化U形副構(gòu)架結(jié)構(gòu)。搖枕、側(cè)架等大部件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架兼容性提升，進一步提高了轉(zhuǎn)向架的通用化和模塊化程度和運用經(jīng)濟性。

2? DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕臺架試驗

隨著軸重的增加，轉(zhuǎn)向架的承受的載荷也隨之大幅增加，這對轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)強度、運用性能提出了更高的要求。為確保轉(zhuǎn)向架在運用中的安全性，在轉(zhuǎn)向架投入運用前，有必要依據(jù)相關(guān)標準和技術(shù)條件對轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵承載部件進行強度校核。

靜載荷試驗與靜強度試驗以及疲勞試驗是檢驗產(chǎn)品使用性能的基本方法之一，主要用于考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否合理，結(jié)構(gòu)強度是否滿足運用要求。目前，行業(yè)內(nèi)重載貨車搖枕的技術(shù)標準主要有TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》、TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗》、TJ/CL 470-2016《DZ1、DZ2、DZ3型轉(zhuǎn)向架搖枕、側(cè)架技術(shù)條件》、TJ/CL 025-2016《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件》等。

2.1 靜載荷試驗

DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜載荷試驗依據(jù)TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗》進行。搖枕載荷試驗的安裝及加載方式如圖3所示。

DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕靜載荷試驗，需進行心盤垂向彈性變形、心盤垂向永久變形、心盤垂向最小極限載荷三個工況加載。試驗過程是：先施加與彈性變形試驗相同的載荷進行預(yù)壓，然后降至22.25kN的初始載荷，將百分表或撓度計調(diào)零;在初始載荷的基礎(chǔ)上再施加彈性變形試驗載荷，測量彈性變形量;將載荷降至22.25kN，百分表或撓度計調(diào)零后，將載荷加至永久變形試驗載荷（初始載荷包括在內(nèi)），再降至22.25kN，測量永久變形量。垂向最小極限載荷試驗作為最后一項進行，測量垂向永久變形量后，將載荷加至最小極限載荷。對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕依據(jù)TB/T 1959-2006進行了靜載荷試驗，結(jié)果見表1。（圖4）

2.2 疲勞試驗

疲勞破壞是貨車轉(zhuǎn)向架部件主要的失效形式之一，在新設(shè)計產(chǎn)品試制完成以及原有產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及工藝等方面有重大改變時，一般要進行疲勞試驗來檢驗其疲勞可靠性是否能夠滿足運用要求。目前，DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的疲勞試驗依據(jù)TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗》進行，搖枕疲勞試驗試件安裝及加載方式如圖5所示。

為了保障加載頻率，在疲勞試驗中，在搖枕彈簧承臺位置，未選用螺旋鋼彈簧支撐，而用剛性接觸替代。需注意的是，在試驗過程中，要釋放搖枕縱向垂直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)自由度。

搖枕疲勞試驗的循環(huán)次數(shù)共計100萬次，分10個加載單元進行施加，每個加載單元循環(huán)次數(shù)為10萬次。在每一加載單元均包括旁承側(cè)滾工況、心盤側(cè)滾工況、心盤浮沉工況，三種試驗工況的載荷值見表2。（圖6）

在疲勞試驗臺上，依據(jù)TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗》，對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕進行了100萬次加載，試驗結(jié)束后，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.3 靜強度試驗

目前，DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜強度試驗依據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》、TJ/CL470-2016《DZ1、DZ2、DZ3型轉(zhuǎn)向架搖枕、側(cè)架技術(shù)條件》、TJ/CL025-2016《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件》進行。試驗工況為垂向載荷P與水平載荷0.25P的合成工況，要求各測點的應(yīng)力值應(yīng)不大于[σ1]=151MPa。

搖枕靜強度試驗中垂向載荷施加在搖枕心盤面上，搖枕兩端彈簧支承面處以剛性支承，釋放搖枕端部在搖枕縱向垂直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)自由度，水平載荷施加在搖枕側(cè)面中央截面處，對搖枕端部側(cè)面進行約束，同時釋放端部側(cè)面在搖枕水平平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)自由度。

依據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》、TJ/CL470-2016《DZ1、DZ2、DZ3型轉(zhuǎn)向架搖枕、側(cè)架技術(shù)條件》、TJ/CL025-2016《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件》對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕進行了靜強度試驗，在垂向載荷P、水平載荷0.25P作用下，最大應(yīng)力值為129.03MPa，所有測點的應(yīng)力均未超過材料的許用應(yīng)力。

3? 疲勞損傷分析

在試驗臺上，對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕依據(jù)TB/T1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗》進行加載，選取搖枕大應(yīng)力點布置應(yīng)變片，采集測點的應(yīng)力時間歷程，利用雨流計數(shù)法得到該應(yīng)力時間歷程的8級應(yīng)力譜，根據(jù)Palmgren-Miner法則，分別計算各測點在旁承側(cè)滾、心盤側(cè)滾和心盤浮沉工況下的疲勞損傷值。

式中，ni指第i級應(yīng)力范圍的循環(huán)次數(shù);Ni指第i級應(yīng)力范圍相對應(yīng)得疲勞壽命;？駐？滓i指第i級應(yīng)力范圍;？駐？滓R，L指拐點處應(yīng)力范圍特征值;C1、C2是常數(shù);m1、m2指S-N雙對數(shù)折線的反斜率。

DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕為B+級鋼鑄造件，所布測點位置均為母材，經(jīng)查IIW-2259-15《Recommendations for fatigue design of welded joints and components》，測點位置FAT等級為160.0MPa，拐點應(yīng)力范圍為116.0MPa，m1取值為5，m2取值為9，C1取值為2.097E+17，C2取值為3.803E+25。

根據(jù)以上公式計算DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕旁承側(cè)滾、心盤側(cè)滾、心盤浮沉試驗的損傷值及DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕疲勞試驗的損傷值，具體結(jié)果詳見表3。

經(jīng)計算，疲勞試驗后，所有測點中損傷最大值為0.2589， DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕有一定安全余量。同時，在搖枕疲勞試驗中，心盤側(cè)滾和心盤浮沉造成的損傷最大。以測點7為例，心盤側(cè)滾工況造成的損傷達到67.98%，心盤浮沉工況造成的損傷達到30.75%。

4? 結(jié)論與展望

從試驗結(jié)果看，DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜載荷、靜強度、疲勞強度均滿足標準要求。通過損傷計算，所布測點的最大值損傷量為0.2589，心盤側(cè)滾工況和心盤浮沉工況造成的損傷量遠大于旁承側(cè)滾工況造成的損傷量。通過持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，我國重載轉(zhuǎn)向架技術(shù)取得了較大突破，陸續(xù)研制了27t軸重和30t軸重轉(zhuǎn)向架，并投入運用，我國鐵路貨車的列車軸重、牽引重量和年運量達到國際重載標準。后期在轉(zhuǎn)向架降噪、提高運行可靠性方面需進一步深入研究。

參考文獻：

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