GMC16鋼軌打磨車牽引桿裝置改進設計

杜曉勇，孫保林，馬 泳，趙 劍

（中車北京二七機車有限公司，北京100072）

GMC16鋼軌打磨車牽引桿裝置改進設計

杜曉勇，孫保林，馬 泳，趙 劍

（中車北京二七機車有限公司，北京100072）

牽引桿裝置是打磨A車和B車連接部位的關鍵部件，其強度和安裝精度直接影響精準打磨的品質優劣。通過利用三維軟件和有限元軟件對牽引桿裝置進行建模和強度分析，并依據車輛鉤緩的強度設計規范，設計合理安裝精度，達到改善牽引桿裝置整體強度的目的。以此為依據進行牽引桿裝置的實際生產制造和安裝運行試驗，實現了整車的打磨精度和打磨效率的提高；同時，對降低牽引桿裝置的生產制造成本，提高整車安全運行有重要的意義。

精準打磨；鉤緩裝置；牽引桿裝置；強度設計

鋼軌打磨對我國高速鐵路、重載鐵路和城軌的建設和開通運營后的線路養護維護具有重大意義，鋼軌打磨形式從最初的修理性打磨到保養性打磨發展到“頻繁、快速、輕度”的預防性打磨。我國鋼軌打磨技術的不斷完善，顯著地提高了行車安全、平穩和乘客的舒適性[1]。

鋼軌的精準打磨日益重要，精準打磨可全面消除鋼軌表面銹蝕、表面疲勞裂紋、波浪磨損等缺陷，延長了鋼軌的使用壽命。但鋼軌的精準打磨需要實現軌廓的精準測量，以及達到與打磨車的打磨策略精準匹配。即要求在打磨作業工程中實現打磨精準定位，避免打磨區域缺失、打磨隨意性和重復打磨現象，提高單次的打磨效率和打磨質量。

GMC16型鋼軌打磨車由兩節車A和B連掛組成，對軌道和道岔進行保養性和修復性鋼軌打磨，其中，兩車連接部位的牽引桿裝置的設計，以及裝配間隙對精準打磨的影響十分關鍵。GMC16型鋼軌打磨車在連續不停車打磨作業時，由于采用鐵路上常用的普通車鉤緩沖裝置或密接車鉤連接，受車鉤間隙和緩沖器的緩沖影響，導致A、B車的不同步作業和走行較為嚴重，啟動、停止及牽引速度不穩定的過程中，出現的B車拖拽、前沖等狀態，導致打磨作業時磨頭的下降和終止時出現打磨作業位置的定位誤差。為了改善這種情況，同時避免出現原地打磨現象而損壞鐵軌，需要重新設計和改進現有牽引桿裝置。

為此，本文對GMC16型鋼軌打磨車牽引桿裝置進行研究和設計，通過對牽引桿裝置進行三維建模和模擬裝配，合理控制了裝配間隙，同時，依據相關標準TB/T 2399、TB/T456等，利用有限元軟件對其進行各工況下的強度校核。最終，實現了整車的打磨精度和打磨效率的提高，對保障整車安全運行有重要的意義。

1 牽引桿裝置改進設計

按以上分析，牽引桿裝置須采用剛性連接來實現A、B車的同步牽引作業和走行，盡量避免普通鉤緩裝置的間隙、緩沖作用，需要滿足以下要求：

（1）車鉤連掛間隙在11.5～19.5 mm；

（2）緩沖器行程在38～110 mm[2]；

（3）曲線通過時，水平范圍內水平擺角≥17°，垂直擺角≥4°.

改進的牽引桿裝置主要組成包括：牽引桿、關節軸承、牽引銷、蓋板、磨耗板和通道等，如圖1所示。

圖1 牽引桿裝置裝配模型

1.1 牽引桿

實現相鄰A和B車之間連掛在一起，并且傳遞縱向牽引力和沖擊力，承載通道連接，其結構見圖2牽引桿（剖視圖）所示，兩端加工階梯狀軸承安裝孔，中間部位空腔鑄造結構，并預留鑄造工藝孔。

圖2 牽引桿（剖視圖）

選取材料為鑄鋼ZGD690～830，對應的力學性能如表1所示。

表1 牽引桿用材的基本力學性能

1.2 關節軸承

利用關節軸承的特點實現兩車水平和垂向擺動，且關節軸承具有承受載荷能力大，抗沖擊、抗腐蝕、自調心、潤滑好等特點。結構組成如圖3所示，依據牽引桿軸承孔結構選用關節軸承型號：GE 90 TXE-2LS，其基本額定動載荷為1 370 kN，基本額定靜載荷為2 320 kN.

圖3 關節軸承模型圖

1.3 牽引銷

實現車體與牽引桿的連接，保證車體左右水平擺動≥±17°，材質選擇E級鋼，如圖4所示為銷和軸承裝配模型，裝配后的軸承孔和軸的間隙總計為0.036～0.062 mm.

圖4 關節軸承和牽引銷模型

這樣嚴格控制了兩個剛性連接之間的間隙，從而降低了列車運行過沖中的縱向沖擊，提高了列車運行的平穩性，同時也降低車鉤零件的磨耗和噪聲[3]。

1.4 裝配后需滿足打磨車運行過程中的運行和作業要求

（1）水平擺角≥±17°（過曲線線路時，水平范圍內可旋轉）

（2）垂直擺角≥4°

如圖5所示，車輛在線路運行過程中，保證兩車連掛之間的極限垂向位移和偏角的轉動，避免了連接桿剛性連接中承受彎曲力距的作用。

圖5 垂向擺動（極限位）

2 靜載拉力試驗

針對牽引桿設計模型（E級鋼）進行靜載拉力試驗，計算工況如表2所示，參照標準TB/T1335《鐵道車輛強度設定及試驗鑒定規范》、TB/T 2399《車鉤、鉤尾框強度試驗方法》、TB/T 456《機車車輛用車鉤、鉤尾框》等，對牽引桿進行最大永久變形和最小破壞載荷的有限元分析計算。

表2 計算載荷工況

依據《材料力學》中，抗拉強度表征材料最大均勻塑性變形的抗力，在承受最大拉應力之前的變形時均勻一致的，但超出之后，開始產生集中的變形，此時外力撤銷后不能回復原來的形狀，產生永久變形[4]。

2.1 仿真

對牽引桿進行建模和強度分析，可降低實際生產試制周期，并確保整車運行的安全可靠。

通過建立牽引桿有限元計算模型，并依據牽引桿的材質（見表1）對其模型進行材料屬性的設定。采用三維實體單元（SOLID92）進行離散，單元平均大小為15 mm，整個牽引桿共離散為63 864個單元，129 070個節點，按照受力面的網格進行匹配劃分[5]，如圖6所示。

圖6 牽引桿網格劃分

（1）在3 115 kN靜載拉力作用下，牽引桿的局部最大應力部位的Von Mises應力分布云圖顯示為731 MPa，大于屈服極限690 MPa，在消除作用力后，此時已產生永久塑性變形，但未發生破壞斷裂。最大應力出現在關節軸承安裝孔的內側，該處位置為階梯孔安裝面，且截面尺寸變化最急劇的部位，容易產生應力集中現象，其最大應力點如圖7所示。

圖7 工況1應力云圖

（2）在3115 kN靜載拉力作用下，牽引桿產生最大變形量0.78 mm，小于標準值0.8 mm，此時產生塑性變形，未發生斷裂現象，最大變形位置出現在牽引桿的兩端端部。如圖8所示。

圖8 工況1變形量

（3）在4 005 kN靜載拉力作用下，牽引桿的最大應力為798 MPa，有限元計算結果顯示，在該極限應力的作用下，牽引桿的最大應力仍小于極限抗拉強度，牽引桿仍可以安全保障列車的安裝運行，如圖9所示。

圖9 工況2應力云圖

綜合比較計算分析結果與對應標準，如表3所示，表明牽引桿裝置的設計強度滿足標準要求。

表3 計算值與標準對比分析表

基于以上設計制造了對應牽引桿裝置，在GMC16鋼軌打磨車上開展了實際運用考核，運用過程如圖10所示。當車組開行啟動、打磨作業過程中和制動時，降低了縱向接觸面之間的間隙，有效地減小了列車縱向沖擊[6]，有效避免了連掛之間的相互沖擊引起的磨耗和噪聲，提高了運行和作業過程的平穩性。

圖10 實際用運

3 結束語

本文對GMC16鋼軌打磨車牽引桿裝置進行了改進設計，根據兩車連接牽引桿裝置的結構特點，參照相關標準的規定，通過有限元模擬仿真計算各工況下的應力和變形，保證了裝置的可靠性。實踐證明，兩車連接牽引裝置的設計滿足實際運用工況，彌補國內關于剛性車鉤連接、牽引桿設計及計算的相關理論研究和實際運用經驗的空白。

[1]劉增杰.高速鐵路的鋼軌打磨技術建設小康社會：中國科技工作者的歷史責任[C]//中國科協2003年學術年會論文集（上）.北京：中國測繪學會，2003：1.

[2]任玉君，陳 凱，宋國文，等.關于機車車輛車鉤緩沖裝置的選型分析[J].鐵道車輛，2009，47（05）：1-7，47.

[3]嚴雋耄.車輛工程[M].3版.北京：中國鐵道出版社，2008.[4]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1997.

[5]王慶武.ANSYS機械設計高級應用實例[M].北京：機械工業出版社，2006.

[6]孫竹生，孫 翔.組合列車斷鉤原因的列車動力學分析[J].西南交通大學報，1987（4）：1-2.

The Design of Traction Rod Device Between GMC16 Rail Grinding Vehicles

DU Xiao-yong，SUN Bao-lin，MA Yong，ZHAO Jian
（Beijing Feb.7th Locomotive Co.，Ltd.，Beijing 101010，China）

The traction rod device is the key component of the connecting parts of the A car and the B car.The strength and the installation accuracy directly affect the quality of the precision grinding.By using three-dimensional software and finite element software,the modeling and strength analysis of the traction bar device are carried out.According to the strength design specification of vehicle hook,the reasonable installation accuracy is designed to improve the overall strength of the traction bar device.Based on this,the actual production and installation and operation test of the traction rod device is carried out,which realizes the improvement of the grinding accuracy and grinding efficiency of the vehicle,and at the same time,it is significant for reducing the production cost and improving the safe operation of the traction bar.

precision grinding；hook buffer device；traction rod device；strength design

TH122

A

1672-545X（2017）10-0099-03

2017-07-17

杜曉勇（1985-），男，北京人，研究生，工程師，主要研究方向：鐵路工程機械設計和研發。