地鐵車輛用新型整體式抗側(cè)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(cè)滾扭桿裝置利用受扭轉(zhuǎn)金屬彈性桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形時提供的反力矩，來抑制車輛的側(cè)滾振動，而不影響車輛的伸縮、橫擺、點(diǎn)頭、搖頭及浮沉等運(yùn)動[1]。抗側(cè)滾扭桿裝置工作原理如圖1所示。當(dāng)車輛通過彎道時，車體與轉(zhuǎn)向架之間發(fā)生繞x軸的相對轉(zhuǎn)動(即側(cè)滾)時，左右連桿發(fā)生相反方向的垂直位移，通過水平放置的2個扭轉(zhuǎn)臂使得扭桿軸兩端產(chǎn)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(cè)滾方向相反的抗側(cè)滾力矩，可阻止車體相對轉(zhuǎn)向架側(cè)滾，起扭桿彈簧的作用[2]。按扭桿軸結(jié)構(gòu)，抗側(cè)滾扭桿裝置可分為抗側(cè)滾直扭桿裝置和抗側(cè)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(cè)滾彎扭裝置有關(guān)，故應(yīng)改進(jìn)相關(guān)構(gòu)件的設(shè)計。

圖1 抗側(cè)滾扭桿裝置的工作原理

1 設(shè)計方案

某城市地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架空間較小，在車輛實(shí)際運(yùn)行中，輪對存在磨耗，故為保持車體與軌面豎向距離不變，轉(zhuǎn)向架與車體高度應(yīng)設(shè)置為同一個變量。針對該地鐵車輛的要求，其抗側(cè)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(diào)的結(jié)構(gòu)。

整體式抗側(cè)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(jié)構(gòu)，其彎扭桿與連桿上關(guān)節(jié)采用錐孔配合(如圖2所示)。該裝置的主要技術(shù)指標(biāo)為：①系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)剛度為1.2×(1±10%)MN·m/rad。②扭桿軸采用雙頭折彎結(jié)構(gòu)。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(diào)結(jié)構(gòu)。以雙向螺紋連接實(shí)現(xiàn)長度可調(diào)。連桿長度可調(diào)范圍為(-60 mm，+30 mm)。④支撐座組件采用上下兩部分結(jié)構(gòu)。支撐球鉸扭轉(zhuǎn)剛度控制在16 N·m/(°)以內(nèi)。

圖2 整體式抗側(cè)滾彎扭桿裝置

2 抗側(cè)滾彎扭桿裝置力學(xué)性能分析與驗(yàn)證

2.1 扭桿剛度計算

根據(jù)GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》和DIN2091—1981《圓截面扭桿彈簧計算與分析》，對抗側(cè)滾彎扭桿裝置進(jìn)行扭桿靜剛度分析。參照文獻(xiàn)[3],對抗側(cè)滾彎扭桿裝置扭轉(zhuǎn)變形時的狀態(tài)進(jìn)行簡化,得到簡化計算模型如圖3所示。當(dāng)車體側(cè)滾角為α?xí)r，設(shè)彎扭桿直線段長為L4,折彎段長度為L5,直線段轉(zhuǎn)角為β，彎扭桿的軸剛度為M1，連桿垂向力為F。根據(jù)幾何空間關(guān)系,抗側(cè)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(cè)滾扭桿裝置簡化計算模型

當(dāng)彎扭桿直線段扭轉(zhuǎn)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(cè)滾扭桿裝置對車體的扭轉(zhuǎn)剛度M為

(4)

由式(1)～(4)得，車體側(cè)滾α?xí)r,抗側(cè)滾扭桿裝置對車體的瞬時扭轉(zhuǎn)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(jīng)計算,彎扭桿式抗側(cè)滾扭桿裝置剛度為1.28 MN·m/rad,在1.2×(1±10%)MN·m/rad范圍內(nèi),滿足設(shè)計要求。

2.2 扭桿強(qiáng)度分析

在確定各項性能參數(shù)后，采用ABAQUS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析計算。根據(jù)技術(shù)要求，校核在±14.7 kN載荷條件下所有部件是否滿足設(shè)計要求。圖4為計算所得的應(yīng)力分布云圖。從圖4中可以看出,扭桿系統(tǒng)的最大應(yīng)力為352 MPa位于扭桿折彎處，低于其材料的屈服強(qiáng)度1 300 MPa，安全系數(shù)為5.24。因此,該型彎扭桿式各部件均滿足靜強(qiáng)度要求。

a)彎扭桿的應(yīng)力分布云圖

b)連桿桿體的應(yīng)力分布云圖

c)±支撐座的應(yīng)力分布云圖

采用FE/safe軟件對扭桿裝置進(jìn)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(qiáng)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(huán)6×106次，第二階段載荷大小為±12.6 kN、加載循環(huán)2×106次，第三階段載荷大小為14.7 kN、加載循環(huán)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(qiáng)度因子為1.277，位于扭桿軸最大應(yīng)力區(qū)域，大于1，滿足疲勞設(shè)計要求。

2.3 扭桿試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，對抗側(cè)滾彎扭桿裝置進(jìn)行了整體抗扭剛度及疲勞試驗(yàn)?？箓?cè)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(shù)，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(shù)；

L——扭桿裝置加載點(diǎn)間距。

彈性試驗(yàn)測量了不同拉壓荷載下的連桿組件變化(見圖6)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得到，該抗側(cè)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(nèi)。

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(yàn)的加載條件與仿真計算一致。疲勞試驗(yàn)結(jié)束后對扭桿進(jìn)行探傷檢測，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋擴(kuò)展和斷裂現(xiàn)象。

3 結(jié)語

新型整體式抗側(cè)滾彎扭桿裝置符合節(jié)能環(huán)保、輕量化的設(shè)計要求，成功解決了空間限制的難點(diǎn)。為滿足轉(zhuǎn)向架與車體高度可調(diào)，連桿組件使用螺紋連接實(shí)現(xiàn)雙向可調(diào)求。雙向可調(diào)的結(jié)構(gòu)使得安裝更為方便。通過理論計算、生產(chǎn)工藝質(zhì)量控制及多方面試驗(yàn)驗(yàn)證，該新型整體式抗側(cè)滾彎扭桿裝置已在某地鐵上成功使用，且使用效果良好。