機車轉向架牽引裝置對比研究

曾艷梅， 高升輝， 喻佳文

（南車株洲電力機車有限公司技術中心，湖南株洲412001）

0 引言

機車轉向架牽引裝置是連接轉向架與車體的重要部件，傳遞輪軌間相互作用產生的牽引力和制動裝置產生的制動力。牽引裝置既要保證機車正常運行時不對轉向架與車體的相對運動造成干涉，同時也要適應機車曲線通過時車體相對轉向架的轉角。

1 兩種不同的牽引裝置結構

牽引裝置（一）主要由牽引桿1、牽引桿2、三角撐桿3和銷軸4等組成，如圖1所示。牽引桿1水平布置在牽引電機下方，兩端通過銷軸分別與構架牽引梁和三角撐桿相連；牽引桿2為對稱結構，呈傾斜狀態，連接車體牽引座的一端高于連接三角撐桿的一端，牽引桿2兩端裝有橡膠關節以適應機車車體與轉向架之間的相對運動，同時起到吸振降噪的作用；三角撐桿通過兩支座吊掛在構架前端梁上。

圖1 機車轉向架牽引裝置（一）

牽引裝置（二）主要由單牽引桿和壓裝在牽引桿端部的橡膠關節組成。牽引桿采用箱形焊接結構，并在梁體中間布置有筋板以獲得足夠的強度和剛度。為了降低牽引點的高度以獲得較高的黏著重量利用率，牽引桿從牽引電機下部通過，同時為了保證機車運行時牽引裝置與牽引電機之間有足夠的間隙，牽引桿采用折彎的結構，如圖2所示。

圖2 機車轉向架牽引裝置（二）

2 牽引裝置強度和穩定性分析

利用ANSYS軟件分別建立有限元分析模型，并采用相同的載荷條件，即牽引裝置在承受轉向架5g載荷沖擊下，對其強度和穩定性進行分析。

2.1 牽引裝置（一）強度分析

三角撐桿由撐桿及三角撐桿體兩部分組焊而成，撐桿由16MnDR鍛造而成，三角撐桿體則由ZG20SiMn鑄造而成，其性能指標見表1，應力云圖如圖3。

表1 三角撐桿的機械性能 MPa

圖3 三角撐桿有限元分析

由圖3可知，三角撐桿計算最大應力為476 MPa，滿足材料抗拉強度極限。

牽引桿1和牽引桿2都采用鍛件，材料為42CrMo，其性能指標見表2，應力云圖如圖4和圖5所示。

表2 42CrMo機械性能MPa

由圖4和圖5可知，牽引桿1計算最大應力為641 MPa，牽引桿2計算最大應力為496 MPa，因此，牽引桿1和牽引桿2都滿足材料抗拉極限強度。

車體牽引座采用鍛件，材料為C級鋼，其性能指標見表3，應力云圖如圖6。

圖4 牽引桿1有限元分析

圖5 牽引桿2有限元分析

表3 C級鋼機械性能MPa

圖6 車體牽引座有限元分析

由圖6可知，車體牽引座計算最大應力為568MPa，滿足材料抗拉極限強度。

2.2 牽引裝置（二）強度分析

單牽引桿全部由16MnDR鋼板組焊而成。根據GB 3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》、《機械工程材料性能數據手冊》以及國際焊接學會《焊接接頭與部件的疲勞設計》，其材料的機械性能見表4，應力云圖如圖7。

表416MnDR的機械性能 MPa

圖7 單牽引桿有限元分析

由圖7可知，單牽引桿計算最大應力為356 MPa，滿足材料抗拉極限強度。

2.3 牽引裝置（一）穩定性分析

牽引桿的兩端裝有關節，為了安全，穩定性計算時將牽引桿兩端定位方式簡化為鉸支結構，其壓桿失穩的臨界載荷計算式為

式中：Pcr為壓桿失穩臨界載荷；L為壓桿兩端鉸支點的中心距；Ix為截面慣性矩；E為材料彈性模量。

計算得出牽引桿的臨界載荷Pcr1=2 343 kN，Pcr2=2 912 kN。每轉向架的啟動牽引力Fqql=285 kN。每轉向架的最大沖擊力（5g）為 Fcj=5×30×9.81=1 471.5 kN。

由計算結果可以看出，牽引桿1和牽引桿2的失穩臨界載荷大于其承擔的最大沖擊載荷1 471.5 kN，因此牽引桿1和牽引桿2是穩定的。

2.4 牽引裝置（二）穩定性分析

如圖8所示，穩定性計算時將牽引桿兩端定位方式同樣簡化為鉸支結構，在受到軸向力F作用時，還受到橫向力Q的作用。

圖8 牽引桿受力分析圖

單牽引桿橫截面的最小慣性矩：

單牽引桿橫截面面積

轉向架5g沖擊下，單牽引桿受力情況如下：

軸向力 F=5Mbg×cosβ=5×29 850×9.81×cos1.5°=1 463.64 kN；

橫向力 Q=5Mbg×sinβ+5Mbg×cosβ×tanα=5×29 850×9.81×sin1.5°+5×29 850×9.81×cos1.5°×tan1.7°=81.77 kN。

根據《材料力學》［4］可知：

單牽引桿中最大應力為σmax=F/A+Mmax/W=1.79×108Pa；

單牽引桿所受最大壓力為 Pmax=σmax×A=1.79×108×8.19×10-3×10-3=1 463.64 kN；

可用歐拉公式計算該牽引桿的臨界壓力，其失穩臨界壓力為Pcr=π2EI/（μL）2=3.141 592×2.1×1011×1.79×10-5÷［（1×3.559）2×103］=2 934.37 kN。

綜上所述，牽引桿在轉向架5g工況下穩定性安全系數為

因此單牽引桿滿足壓桿穩定性要求。

3結語

文中兩種牽引裝置其車體端和構架端具有相同的高度，結構上存在差異，經過計算可知，兩種牽引裝置其強度和穩定性都滿足要求。因結構差異導致兩種牽引裝置名義牽引點高度不同，因而機車黏著重量利用率各異，且牽引裝置（一）的黏著重量利用率要高于牽引裝置（二），但后者結構簡單，生產和制造成本低，維護方便。總之，從機車黏著重量利用率的角度出發，建議采用低牽引點高度的牽引裝置（一），只有在滿足機車黏著重量利用率的前提下，才選用牽引裝置（二）的結構。

［1］ 陳清明，陳喜紅，周建斌，等.HXD1B型大功率交流傳動電力機車轉向架［J］.電力機車與城軌車輛，2011，34（4）：4-8.

［2］ 鄒文輝，陳國勝，周建斌.大功率客運機車輪對結構與技術特點［J［.鐵道機車車輛，2011，31（1）：82-85.

［3［ 曾艷梅，陶功安，羅華軍.ZMA120型地鐵車輛轉向架構架結構設計［J］.電力機車與城軌車輛，2010，33（1）：14-17.

［4］ 劉鴻文.材料力學［M］.3版.北京：高等教育出版社，1992.