地鐵車輛用新型整體式抗側滾彎扭桿裝置研制

杜方孟 霍艷霞 湯 騰 劉文松 程海濤

(株洲時代新材料科技股份有限公司，412007,株洲//第一作者,高級工程師)

抗側滾扭桿裝置利用受扭轉金屬彈性桿產生扭轉變形時提供的反力矩，來抑制車輛的側滾振動，而不影響車輛的伸縮、橫擺、點頭、搖頭及浮沉等運動[1]。抗側滾扭桿裝置工作原理如圖1所示。當車輛通過彎道時，車體與轉向架之間發生繞x軸的相對轉動(即側滾)時，左右連桿發生相反方向的垂直位移，通過水平放置的2個扭轉臂使得扭桿軸兩端產生一對相反的力矩M1和M2。這對大小相等、方向相反的力矩作用于車體上，就形成了與車體側滾方向相反的抗側滾力矩，可阻止車體相對轉向架側滾，起扭桿彈簧的作用[2]。按扭桿軸結構，抗側滾扭桿裝置可分為抗側滾直扭桿裝置和抗側滾彎扭桿裝置。某城市地鐵干線車輛輪對存在磨耗過大等問題，其主要原因與抗側滾彎扭裝置有關，故應改進相關構件的設計。

圖1 抗側滾扭桿裝置的工作原理

1 設計方案

某城市地鐵車輛的轉向架空間較小，在車輛實際運行中，輪對存在磨耗，故為保持車體與軌面豎向距離不變，轉向架與車體高度應設置為同一個變量。針對該地鐵車輛的要求，其抗側滾扭桿裝置選用了整體式彎扭桿裝置,并采用連桿雙向可調的結構。

整體式抗側滾彎扭桿裝置由整體式彎扭桿、支撐座及連桿等部件組成。扭桿為雙頭折彎結構，其彎扭桿與連桿上關節采用錐孔配合(如圖2所示)。該裝置的主要技術指標為：①系統扭轉剛度為1.2×(1±10%)MN·m/rad。②扭桿軸采用雙頭折彎結構。扭桿軸折彎端部采用鐓粗工藝加工出配合面。③連桿組件采用雙向可調結構。以雙向螺紋連接實現長度可調。連桿長度可調范圍為(-60 mm，+30 mm)。④支撐座組件采用上下兩部分結構。支撐球鉸扭轉剛度控制在16 N·m/(°)以內。

圖2 整體式抗側滾彎扭桿裝置

2 抗側滾彎扭桿裝置力學性能分析與驗證

2.1 扭桿剛度計算

根據GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》和DIN2091—1981《圓截面扭桿彈簧計算與分析》，對抗側滾彎扭桿裝置進行扭桿靜剛度分析。參照文獻[3],對抗側滾彎扭桿裝置扭轉變形時的狀態進行簡化,得到簡化計算模型如圖3所示。當車體側滾角為α時，設彎扭桿直線段長為L4,折彎段長度為L5,直線段轉角為β，彎扭桿的軸剛度為M1，連桿垂向力為F。根據幾何空間關系,抗側滾彎扭桿裝置對車體的力矩TZ為：

TZ=F·L4·cosα

(1)

圖3 彎扭桿式抗側滾扭桿裝置簡化計算模型

當彎扭桿直線段扭轉角度為β時，有：

M1·β=F·L5·cosβ

(2)

同時，α和β近似滿足：

L4·sinα=L5·sinβ

(3)

抗側滾扭桿裝置對車體的扭轉剛度M為

(4)

由式(1)～(4)得，車體側滾α時,抗側滾扭桿裝置對車體的瞬時扭轉剛度為：

(5)

式中:

M1——扭桿軸的軸剛度，M1=G·IP/L;其中,桿直徑為d的圓截面極慣性矩IP=πd4/32,G為剪切模量。

經計算,彎扭桿式抗側滾扭桿裝置剛度為1.28 MN·m/rad,在1.2×(1±10%)MN·m/rad范圍內,滿足設計要求。

2.2 扭桿強度分析

在確定各項性能參數后，采用ABAQUS軟件對結構進行了詳細的有限元分析計算。根據技術要求，校核在±14.7 kN載荷條件下所有部件是否滿足設計要求。圖4為計算所得的應力分布云圖。從圖4中可以看出,扭桿系統的最大應力為352 MPa位于扭桿折彎處，低于其材料的屈服強度1 300 MPa，安全系數為5.24。因此,該型彎扭桿式各部件均滿足靜強度要求。

a)彎扭桿的應力分布云圖

b)連桿桿體的應力分布云圖

c)±支撐座的應力分布云圖

采用FE/safe軟件對扭桿裝置進行疲勞壽命計算,得出了該型彎扭桿裝置在給定的疲勞載荷下的強度因子(見圖5)。疲勞載荷分三階段加載:第一階段載荷大小為±10.5 kN、加載循環6×106次，第二階段載荷大小為±12.6 kN、加載循環2×106次，第三階段載荷大小為14.7 kN、加載循環2×106次。

a)彎扭桿

b)連桿桿體

c)支撐座

從圖5可以看出，扭桿裝置在疲勞載荷譜下的最小強度因子為1.277，位于扭桿軸最大應力區域，大于1，滿足疲勞設計要求。

2.3 扭桿試驗驗證

根據相關技術要求，對抗側滾彎扭桿裝置進行了整體抗扭剛度及疲勞試驗。抗側滾彎扭桿裝置的整體抗扭剛度C為：

C=KL2

(6)

式中：

K——裝置整體抗扭剛性系數，K=(K1+K2+K3+K4)/4;其中，Ki為第i種工況下測得的整體抗扭剛性系數；

L——扭桿裝置加載點間距。

彈性試驗測量了不同拉壓荷載下的連桿組件變化(見圖6)。根據試驗數據計算得到，該抗側滾扭桿裝置的整體抗扭剛度為1.148 MN·m/rad，滿足在1.2(1±10%)MN·m/rad范圍內。

a)0～+10.5 kN拉載荷(工況一)

b)+10.5～0 kN拉載荷(工況二)

c)0～-10.5 kN壓載荷(工況三)

d)-10.5～0 kN壓載荷(工況四)

疲勞試驗的加載條件與仿真計算一致。疲勞試驗結束后對扭桿進行探傷檢測，未發現任何裂紋擴展和斷裂現象。

3 結語

新型整體式抗側滾彎扭桿裝置符合節能環保、輕量化的設計要求，成功解決了空間限制的難點。為滿足轉向架與車體高度可調，連桿組件使用螺紋連接實現雙向可調求。雙向可調的結構使得安裝更為方便。通過理論計算、生產工藝質量控制及多方面試驗驗證，該新型整體式抗側滾彎扭桿裝置已在某地鐵上成功使用，且使用效果良好。