206型轉向架制動梁強度性能研究*

劉洪印，王 紅，商躍進，趙 波

(蘭州交通大學機電工程學院，甘肅蘭州 730070)

0 引言

制動梁是鐵道車輛上最重要的部件之一，它的損傷故障對行車安全影響極大。尤其是對安全性能要求更為嚴格的鐵道客車，其制動梁的損傷故障將直接威脅著人們的生命安全。在列車運行過程中，制動梁承受較大的交變載荷及沖擊力，制動時承受制動力以及車輪對閘瓦的反作用力，受力狀況較為惡劣。雖然制動梁在試用之前均經過了靜拉力試驗，而且都是合格產品。但經過一段時間的運行，仍然會出現裂紋，產生裂損故障［1］。這說明制動梁靜強度雖然滿足條件，但疲勞強度不一定合格。因此為了提高鐵道客車運行的安全性，有必要進一步對客車制動梁的靜強度和疲勞強度進行分析。

筆者以206型客車制動梁為例，對其進行靜強度和疲勞強度的校核。

1 206型制動梁靜強度分析

1．1 制動梁的組成及結構

206型制動梁是一種直板式制動梁。其結構如圖1所示。

圖1 206型制動梁結構圖

1．2 制動梁有限元分析

1．2．1 模型建立

利用Solidworks三維實體軟件對轉向架制動梁進行實體建模。由于制動梁的結構和受力的對稱性，現只對制動梁的1/2結構進行建模，并對制動梁的強度分析和變形影響不大的結構進行了適當的簡化。把簡化的實體模型轉到有限元Workbench中進行網格劃分，共劃分59 109個單元，129 268個節點。如圖2所示。

圖2 制動梁有限元模型

1．2．2 邊界約束與載荷施加

根據制動梁的實際受力情況，在其對稱面上添加對稱約束;制動梁軸與支撐座為面接觸，在接觸面處添加固定約束。對于客車制動梁靜強度的試驗方法，在圖紙上對制動梁的載荷沒有詳細的規定。但按一般試驗方法應加載兩次以上。并規定客車的實驗載荷［2］如表 1 所列。

由于筆者以206型制動梁為例，現在其一側拉環處施加44 kN的力。其邊界約束與載荷如圖3所示。

表1 我國客車制動梁實驗載荷

圖3 制動梁邊界約束與載荷添加

1．2．3 有限元結果分析

在上述條件下對206型制動梁進行有限元分析，其應力分析結果如圖4，應變分析結果如圖5所示。

圖4 有限元應力分析圖

圖5 有限元應變分析圖

由圖4、5可知:制動梁的最大應力位于制動梁軸與支承座接觸面上，最大應力為95 MPa;制動梁的最大位移位于對稱面處，最大位移為0．55 mm。由于制動梁的材料為 Q235，許用應力為 136 MPa［3］，分析的最大應力值小于許用應力值，故該制動梁滿足靜強度要求。

2 206型制動梁疲勞強度分析

2．1 疲勞強度評價方法

評價機械元件疲勞強度的方法通常用疲勞極限圖，且有High圖和Smith圖兩種形式的疲勞極限圖。修正的Goodman-Smith疲勞極限圖考慮了應力幅、平均應力等影響因素而做出的，此圖常用于鐵道機車車輛結構零部件的疲勞設計中。也采用這種方法對制動梁進行疲勞強度校核，通過有限元分析得到結構疲勞關鍵點部位各測點的應力幅值和平均應力值，判斷各個測點是否在Goodman-Smith疲勞極限圖封閉曲線的范圍內來進行評估。結合靜強度分析與以往運行的經驗，選取了三個關鍵點，即制動梁軸與支承座接觸處、制動梁軸與制動梁桿連接處、制動梁桿與拉環接觸處。

以制動梁在啟動和緊急制動［7-8］兩種特殊工況下的應力值，來計算各關鍵點的平均應力和應力幅值。緊急制動情況下，制動梁的閘瓦壓力FK、摩擦系數f和制動力F的計算公式［9］為:

式中:dz為制動缸直徑，mm;pz為制動缸空氣壓力，kPa;ηz為基礎制動裝置計算傳動效率;γz為制動倍率;nz為制動缸數;nk為閘瓦數。

以鐵路車輛［6］在緊急制動最惡劣情況下為例，則v與v0均為零，制動缸的空氣壓力η=420 kPa，傳動效率 η =0．9，K=25 kN，制動缸直徑 d=200 mm［4］。經計算可得制動力F=61．7 kN。經有限元分析得緊急制動情況下制動梁的最大應力為68 MPa，發生在制動梁桿與拉環接觸處。

根據公式(4)、(5)計算得該三個關鍵點的平均應力與應力幅值如表2所列。

表2 關鍵點的平均應力與應力幅值 /MPa

2．2 Goodman疲勞極限圖繪制

Goodman疲勞極限線圖以最大應力、最小應力為縱坐標，平均應力為橫坐標。圖中能顯示疲勞極限的上應力和下應力的極限值，且反映了平均應力對疲勞極限的上限值、下限值和應力幅的影響。

繪制Goodman疲勞極限圖的關鍵是要測出材料的強度極限σb、屈服極限σyt及對稱循環下的疲勞極限σ-1N。根據文獻［5］繪制疲勞極限圖如圖6。

圖6 Goodman疲勞極限線圖

2．3 制動梁的疲勞強度分析

根據三個關鍵點的平均應力和應力幅值，在Goodman疲勞強度修正曲線中進行疲勞強度評價。結果如圖7所示。

圖7 制動梁關鍵點的疲勞校核圖

由圖7可知，制動梁各關鍵點均在疲勞極限圖內，故滿足疲勞強度要求。

3 結論

根據我國客車制動梁運用情況及設計標準的規定，制動梁在設計和制造時，除了要考慮其靜強度的要求，還要考慮列車在運行過程中由于振動而產生的疲勞破壞。筆者針對206型制動梁進行了靜強度分析及其疲勞強度分析，并最終驗證206型制動梁符合我國制動梁的設計標準。

(1)206型制動梁的最大應力發生在制動梁軸與支承座接觸面上，最大值為95 MPa。該應力值小于許用應力，滿足靜強度要求。

(2)206型制動梁易發生疲勞破壞的危險截面位于制動梁軸與支承座接觸處、制動梁軸與制動梁桿連接處和制動梁桿與拉環接觸處。通過疲勞極限圖對三個危險截面進行了疲勞強度校核，結果證明206型制動梁滿足疲勞強度要求。

［1］ 王 俞．轉K2型轉向架制動梁故障分析及對策研究［D］．大連:大連交通大學，2008．

［2］ 鄭回春．車輛制動梁強度與試驗方法研究［J］．鐵道車輛，1994(6):29-32．

［3］ 毛志宏，王 紅，商躍進．轉8A弓型制動梁的強度性能研究［J］．蘭州交通大學學報，2004(3):91-93．

［4］ 王洪智，王 紅，商躍進，等．209型客車轉向架制動梁的強度性能研究［J］．蘭州交通大學學報，2009(4):121-123+127．

［5］ 趙永翔，楊 冰，彭佳純，等．鐵道車輛疲勞可靠性設計Goodman-Smith圖的繪制與應用［J］．中國鐵道科學，2005(6):8-14．

［6］ 中華人民共和國鐵道部．TB/T 1335-1996鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范［S］．1997．

［7］ 陳建農．制動梁的有限元分析［J］．鐵道車輛，2000(1):34-36．

［8］ 董 博，于兆華．鐵道貨車組合式制動梁試驗方法研究［J］．鐵道技術監督，2008(9):8-11．

［9］ 黃問盈，楊寧清，黃 民．列車制動力的二次換算計算［J］．中國鐵道科學，1999(2):69-80．