HXN3型機車轉向架構架設計的思考

曲天威,王惠玉,芮 斌,鄭長國

(中國北車集團 大連機車車輛有限公司,遼寧大連116022)

HXN3型機車正式投入線路運營已經一年多,到目前為止先期投入運營的機車已經運行了22萬km。雖然在運營中曾出現過掃石器、車梯子裂紋問題,但從總體看該車的主要技術指標均達到設計要求。該車在設計過程中由于苛刻的承重自重等指標,給技術設計和施工設計帶來極大難度,但由于采用先進的設計理念和設計方法,進行精細的結構設計,虛擬仿真分析,充分的試驗驗證,使得車體、轉向架等主要大部件在極限減重的條件下完成設計,樣機經過中國鐵道科學研究院的試驗,其剛度和強度均滿足設計要求。

基于引進、消化、吸收、再創新的指導思想,思考該車在設計、試驗、生產、運營等各階段的技術合作中所進行的技術交流、技術討論,消化對方提供的技術資料,解讀合作方的設計流程和設計思想,將對今后產品設計和技術發展起到有力的促進作用。

1 構架的結構設計

構架結構設計首先遇到的是承重問題,因為該車的總體設計分給轉向架的承重量幾乎是HXD3的1/2,也就是說利用所限定的材料,設計的構架要保證其具有足夠的剛度和強度,這給轉向架構架設計帶來了很大的困難。

1.1 構架結構的幾何形狀設計

為了滿足構架的各種性能指標,將構架的幾何形狀設計成“月”字形,將構架兩側梁的上、下蓋板和立板的厚度適當搭配,使有限的材料發揮最大的性能。

為了與其他軸重相同的構架比較,現將 HXD3、HXD3B、HXN3構架的有關板厚和設計參數列入表1,從中可見質量差距對設計的難度。其設計方案的三維圖形詳見圖1。

1.2 整體和局部剛度協調設計

在結構允許的情況下,不論是整體還是局部均應保證剛度協調,以此盡量減少出現局部的應力集中,這是該構架開發中重要的設計理念。由圖1可以看出,構架的兩側梁結構的連續性很好,從計算得到的應力分布和位移結果看基本是等剛度、等強度。其應力分布詳見圖2。

表1 構架板厚和設計參數

圖1 構架設計三維圖

圖2 構架的整體位移和應力分布圖

1.3 筋板的幾何形狀和布置

對橫梁、側梁內部筋板的幾何形狀和布置的設計理念也是值得思考和借鑒的,這些內部筋板的幾何形狀不都是簡單的方形結構,而是根據構架的整體受力情況和力的傳遞走向以及整體的剛度分布而定。這要求設計者在技術設計過程中就應對構架的受力情況和剛度分布有總體的了解和規劃,這實際上是對設計者本身的基礎素質提出了更高的要求。其橫梁和側梁內部筋板的幾何形狀和位置見圖3。

圖3 橫梁和側梁內部筋板的幾何形狀和位置

1.4 附件的細節設計

對構架上布置的吊座、拉桿座、彈簧座等附件的設計,既考慮這些附件本身的受力特點和應力分布的均勻性,又考慮到對構架整體剛度的協調性。所以這些附件的幾何形狀都比較復雜,每個尺寸、每個圓弧、每個細節的設計思想都很明確,并且都能表現出設計者深厚堅實的基礎功底。其指導思想是在保證附件本身具有足夠強度的基礎上,又能使得自身的能量得到釋放,以便最大限度的減少應力集中。附件的細節設計舉例詳見圖4。

1.5 仿真分析和優化設計

不論是構架的主體結構還是微小的附件設計,都要進行結構的仿真分析或常規的理論計算驗證。這就從根本上避免了設計的盲目性,減少設計誤差。該構架在極限承重的情況下,作出完整的施工設計,順利的通過嚴格的靜強度和疲勞循環載荷試驗考核,這完全是依靠結構仿真分析的引導。同時在對設計方案的每次改進時,也都嚴格遵守設計流程,對其進行仿真計算分析和優化設計,做到有理有據,在仿真分析中重點關注焊縫部位的應力水平和抵抗疲勞損壞的能力。這些仿真分析中所施加的載荷以及評價方法都是采用歐洲、德國標準和合作方的企業標準,同時也參考鐵標,選取這些標準中比較苛刻的載荷條件,對構架進行仿真分析,并根據這些標準進行評價。構架的疲勞強度評價參考德國DV952標準中的Moore—Commer—Jasper疲勞評價曲線,詳見圖5。

2 靜強度和疲勞試驗考核

該構架的靜強度和疲勞試驗是由中國鐵道科學研究院主持試驗。構架加載試驗的圖片見圖6。是有試驗記錄以來最嚴格的。構架的試驗大綱是合作方自行擬寫的,其試驗工況、各載荷的計算方法和數值、每一載荷的加載位置、加載方法、加載的反作用力測試等,都有詳細規定,同時構架上每一個附件均都必須加載試驗。整個試驗大綱長達110多頁,詳細的說明保證每一步試驗都不會出現偏差。

對構架上應變片位置的布置,完全是根據仿真計算分析的結果決定,同時在每進行一個試驗工況取得數據后,設計計算分析人員現場立即與仿真計算分析的結果進行比較,以便及時調整加載方式或者檢查仿真分析模型。

不僅該構架順利通過了各工況的靜載荷試驗,同時也順利通過1 200萬次的循環載荷疲勞試驗,超過鐵標要求200萬次。這過程中先后共進行了5次整體探傷檢查,均未發現任何問題。

3 線路運行情況

HXN3機車配屬在沈陽鐵路局通遼機務段,主要承擔霍林河煤礦的運煤等任務,多機牽引超過1萬t,先期的機車已運行了22萬km,到目前為止機車總體運行狀態良好,該車轉向架構架主體沒發現任何問題。

4 結束語

4.1 設計理念和技術思想的借鑒

(1)嚴格遵守設計流程和技術規范,不受其他因素的支配和干擾;(2)進度和質量的關系,以質量為主;(3)注重設計細節,落實在每一項設計環節中;(4)注重仿真分析,每一項設計方案都必須經過仿真分析和優化;(5)每一項設計方案的改動,也必須經過理論分析驗證;(6)技術問題的分析都遵循統一的模式:①問題的現狀;②原因分析;③對原因分析的理論計算驗證;④采取的技術改進方案;⑤改進方案的計算說明;⑥結論。總之,做到每件事的處理都有根有據。(7)注重基礎數據和知識的積累,建立企業自己的標準或規范。

4.2 未解決的問題

HXN3機車在投入營運的過程中,曾出現過掃石器、車梯子裂紋問題,在部件設計時對掃石器、梯子等都曾作過仿真計算分析,分析中參照英國GMRT 2100標準確定載荷工況。表2列出了英國GMRT 2100標準所規定的轉向架安裝部件結構強度的慣性力規范值。

表2 結構強度慣性力規范值

對掃石器計算的結果表明:靜強度和疲勞強度均能滿足設計技術要求。合作雙方對部件的仿真計算數據和結論基本一致,但在運行中機車還是出現問題,盡管合作雙方都認為設計方案是經過仿真計算論證過的,并且生產過程是經過雙方共同嚴格檢查并認為是合格的。另外,掃石器裂紋問題在HXD3、HXN3以及其他和諧機車都曾發生過。

因此提出下列問題,所采用的計算載荷標準是否與機車運用的實際情況相差很大?車下的懸臂吊掛裝置的振動疲勞問題是否需要從新審視?對這些問題還需要通過動力學試驗和理論分析加以研究。