基礎(chǔ)制動(dòng)裝置橫拉桿受力分析及加強(qiáng)措施

付偉龍

（中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 柳州機(jī)務(wù)段驗(yàn)收室，工程師，廣西 柳州 545007）

南寧局集團(tuán)公司柳州機(jī)務(wù)段配屬的DF4D、DF4B型內(nèi)燃機(jī)車，其基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的橫拉桿，在運(yùn)用中時(shí)常發(fā)生掉落的情況。為此，這個(gè)段的檢修和技術(shù)人員針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了多項(xiàng)防脫措施，取得較好效果。本文主要介紹如何通過(guò)對(duì)橫拉桿進(jìn)行受力分析，找出其應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)，并制定加強(qiáng)措施的理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)支撐。

1 橫拉桿在基礎(chǔ)制動(dòng)裝置中的作用

內(nèi)燃機(jī)車上設(shè)有空氣制動(dòng)裝置和手制動(dòng)裝置。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是空氣制動(dòng)裝置的重要組成部分。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝在機(jī)車轉(zhuǎn)向架上，由制動(dòng)缸、杠桿系統(tǒng)和制動(dòng)閘瓦等部分組成。其作用是制動(dòng)缸鞲鞴產(chǎn)生推力后，通過(guò)杠桿系統(tǒng)傳遞推力給閘瓦，從而產(chǎn)生制動(dòng)效果。

杠桿系統(tǒng)是指在制動(dòng)缸活塞推桿之后至閘瓦間的部分。包括一系列橫桿、豎桿、吊桿等組成的杠桿組。是空氣制動(dòng)機(jī)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將制動(dòng)缸活塞推力通過(guò)杠桿放大后形成最終的制動(dòng)力傳輸至閘瓦，對(duì)輪對(duì)進(jìn)行制動(dòng)。圖1中的部件16拉桿就是基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的橫拉桿，因其平行于車軸而稱其為制動(dòng)橫拉桿。其作用是聯(lián)接輪對(duì)上兩側(cè)的閘瓦，在機(jī)車實(shí)施制動(dòng)時(shí)讓輪對(duì)兩側(cè)的閘瓦保持定位，防止閘瓦與輪對(duì)踏面接觸時(shí)跑偏出踏面即閘瓦偏磨。如果閘瓦偏磨，會(huì)造成制動(dòng)力施加不均和制動(dòng)力不足。且易對(duì)輪對(duì)踏面造成危害：如輪對(duì)踏面標(biāo)準(zhǔn)的JM3形狀被磨變形，或?qū)е绿っ鎰冸x、擦傷。從而惡化輪、軌關(guān)系，影響行車安全。所以制動(dòng)橫拉桿不可或缺。

圖1 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置示意圖

2 制動(dòng)橫拉桿在運(yùn)用中出現(xiàn)的問(wèn)題

在實(shí)際運(yùn)用中，制動(dòng)橫拉桿由于安裝位置較低，較易受到異物碰撞而變形甚至脫落。此外，還因橫拉桿安裝在機(jī)車底部，機(jī)車運(yùn)行中振動(dòng)大、受力復(fù)雜且制動(dòng)時(shí)受力較大，經(jīng)常會(huì)在杠桿兩頭焊接部分出現(xiàn)焊波裂紋，兩端螺帽止動(dòng)開(kāi)口銷被剪斷的情況。機(jī)車檢修或整備時(shí)，制動(dòng)橫拉桿變形及兩端安裝螺帽丟失的問(wèn)題也時(shí)有發(fā)生，其原因多是撞異物所致。如未對(duì)制動(dòng)橫拉桿改造前的2010年，機(jī)車整備報(bào)活數(shù)據(jù)顯示制動(dòng)橫拉桿的故障平均每臺(tái)車發(fā)生2.1件，全年多達(dá)670多件相關(guān)故障報(bào)活。制動(dòng)橫拉桿脫落嚴(yán)重故障每年至少會(huì)發(fā)生1件。而在線上機(jī)車走行部件的脫落屬于險(xiǎn)性事故因素，如果后續(xù)的列車碰到脫落的部件極有可能會(huì)造成嚴(yán)重的運(yùn)輸安全事故。這種情況是柳州機(jī)務(wù)段檢整系統(tǒng)重點(diǎn)防控的情形。為此機(jī)務(wù)段開(kāi)了幾次專題會(huì)議對(duì)制動(dòng)橫拉桿防脫進(jìn)行重點(diǎn)改造整治，目標(biāo)是杜絕制動(dòng)橫拉桿脫落，減少制動(dòng)橫拉桿故障報(bào)活的情況。

3 制動(dòng)橫拉桿在運(yùn)用中的受力分析

為了徹底對(duì)制動(dòng)橫拉桿進(jìn)行整治，首先就要從源頭上分析原因。由于出現(xiàn)的故障率較高，幾乎每臺(tái)車都發(fā)生過(guò)類似報(bào)活，因此，首先應(yīng)當(dāng)考慮的是該部位材質(zhì)及設(shè)計(jì)是否存在缺陷，主要方法就是對(duì)橫拉桿進(jìn)行受力分析。受力分析是將對(duì)象進(jìn)行孤立并對(duì)它施加的各種外力進(jìn)行分析計(jì)算，是機(jī)械設(shè)計(jì)的步驟之一。受力分析的目的就是要對(duì)部件進(jìn)行強(qiáng)度校核和查找應(yīng)力集中的部位，通過(guò)改進(jìn)措施改善部件的應(yīng)力集中。

由于橫拉桿是受橫向力破壞的居多，所以重點(diǎn)分析其橫向受力情況。橫拉桿在運(yùn)用中分制動(dòng)和緩解兩種受力情況，在閘瓦緩解時(shí)是不產(chǎn)生橫向拉力的。受力是由于閘瓦制動(dòng)在輪對(duì)踏面上時(shí)產(chǎn)生的，因?yàn)檩喬っ嬗幸欢ǖ男倍龋瑥亩椒较蚓彤a(chǎn)生了一個(gè)水平的制動(dòng)分力，這個(gè)力的消除就是通過(guò)橫拉桿實(shí)現(xiàn)的，即橫拉桿將左右閘瓦制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水平制動(dòng)分力平衡而消除。首先畫(huà)出圖2為閘瓦制動(dòng)輪對(duì)踏面示意圖。

圖2 閘瓦及踏面尺寸

上圖的簡(jiǎn)化示意圖如圖3：

圖3 閘瓦及踏面受力分析圖

圖3中制動(dòng)力F求解如下：

F=制動(dòng)缸壓強(qiáng)×制動(dòng)缸面積×制動(dòng)倍率×凈效率

上式“制動(dòng)缸壓強(qiáng)”按緊急制動(dòng)時(shí)的

壓力=450 kPa

（0.01522為DF4D型半懸掛機(jī)車制動(dòng)缸直徑）

“制動(dòng)倍率”=12.3

（DF4D型半懸掛機(jī)車制動(dòng)倍率）

“凈效率”=0.85

將上述值代入求：

FX=F×斜度=85.33×0.1=8.533 kN（斜度按1:10：這種情況是按照運(yùn)用中發(fā)生閘瓦向外偏后，受力面不在中間而是移到斜度達(dá)到1：10的斜面，即踏面邊上，此時(shí)橫向力達(dá)到最大來(lái)取。）

FX的反力是FX’,所以：

由上圖可以分析出是橫拉桿的橫向拉力FX是制動(dòng)力F的水平分力。是否FX的反力FX’就是橫拉桿的拉力呢？通過(guò)對(duì)上圖分析，可知第1和6位輪對(duì)的制動(dòng)橫拉桿安裝的位置與閘瓦中心在同一水平線，所以FX’等于制動(dòng)橫拉桿受力。第2、3、4、5位制動(dòng)橫拉桿裝車位置與閘瓦中心線的銷子相差380mm，其受到的拉力FX2與閘瓦橫向力FX形成力矩平衡關(guān)系，可以求出拉力FX2約為1、6位橫拉桿拉力FX’的60%。由上可知，制動(dòng)橫拉桿的受力最大在1、6位，最大值在緊急制動(dòng)時(shí)且閘瓦外偏磨時(shí)產(chǎn)生，為8.533 KN。

4 制動(dòng)橫拉桿應(yīng)力分布圖

有了受力分析的結(jié)果，就可以使用目前流行的有限元分析軟件ANSYS對(duì)1、6位制動(dòng)橫拉桿進(jìn)行應(yīng)力分析：

由上述的受力分析得出ANSYS軟件中求解對(duì)象（制動(dòng)橫拉桿）的邊界條件：（不考慮振動(dòng)時(shí)）最大橫向力為8.533 KN、端頭固定方式為銷接式、桿頭焊縫寬度10 mm（圖紙查出），桿件尺寸等。通過(guò)ANSYS對(duì)制動(dòng)橫拉桿的邊界條件進(jìn)行虛擬，軟件自行生成制動(dòng)橫拉桿的有限元網(wǎng)狀圖，并計(jì)算出其應(yīng)力分布和生成應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。

圖4 橫拉桿應(yīng)力分布云圖

由圖4可知，最大應(yīng)力產(chǎn)生在橫桿與拉桿頭的焊接部位和定位銷孔處，其應(yīng)力最大值僅為屈服應(yīng)力的5%，安全系數(shù)較高約為20，符合設(shè)計(jì)要求。從軟件結(jié)果分析，即使實(shí)際運(yùn)用中發(fā)生因振動(dòng)等因素導(dǎo)致受力突增的情況，該部件設(shè)計(jì)強(qiáng)度也是有很大余量的。然而為什么實(shí)際運(yùn)用中該部位會(huì)時(shí)常發(fā)生故障，進(jìn)一步分析得出成因可能出現(xiàn)在焊接工序或其他人為因素上。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一些故障橫拉桿的應(yīng)力集中部位進(jìn)行分解檢查發(fā)現(xiàn)：部分桿件的焊接部位與圖紙要求不符，該處圖紙要求的角焊縫寬度為10 mm且為埋頭焊，埋入深度5 mm。但是實(shí)際上部分橫拉桿沒(méi)有進(jìn)行埋頭焊；部分桿件焊縫寬度不足；某些桿件的焊縫處出現(xiàn)疲勞裂紋。為消除以上缺陷，南寧局集團(tuán)公司柳州機(jī)務(wù)段對(duì)所有機(jī)車進(jìn)行了普查，對(duì)于沒(méi)有埋頭焊的配件進(jìn)行更換處理，換下的配件打孔進(jìn)行埋頭焊，經(jīng)檢查焊縫不合格的要重新施焊；同時(shí)，要求組裝前對(duì)桿件焊縫進(jìn)行探傷確保沒(méi)有裂紋才能裝車。

5 加強(qiáng)措施

為防止制動(dòng)橫拉桿因?yàn)樽伯愇锒撀洌蠈幘旨瘓F(tuán)公司柳州機(jī)務(wù)段還制定了相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

1）第1、6位制動(dòng)橫拉桿防脫措施如圖5所示，具體要求如下：

（1）加裝防脫吊鏈的規(guī)格為直徑4 mm的橢圓形鏈條，長(zhǎng)度45～50 cm（包括兩端大鏈扣）。

（2）防脫吊鏈一端扣在閘瓦調(diào)整器安裝座內(nèi)側(cè)面所焊扣環(huán)上，另一端扣在制動(dòng)橫拉桿原兩端防脫夾內(nèi)側(cè)附加的夾耳上。

（3）原防脫夾和防脫吊鏈保留。改造時(shí)須同時(shí)對(duì)原防脫夾、防脫吊鏈、橫拉桿穿銷及其緊固螺母和開(kāi)口銷進(jìn)行檢查，作用良好。

（4）將該處焊縫納入機(jī)車小修3次時(shí)的磁粉探傷范圍。

2）整備機(jī)車時(shí)，要嚴(yán)格按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)偏磨的閘瓦進(jìn)行調(diào)整。

3）在拉桿兩端內(nèi)側(cè)加上橫向防脫夾子，如圖6所示。

圖5 1、6位橫

圖6 其他位置橫拉桿防脫方案

6 結(jié)束語(yǔ)

南寧局集團(tuán)公司柳州機(jī)務(wù)段采取以上加強(qiáng)措施后，有效防止了機(jī)車運(yùn)用中1、6位橫拉桿脫落故障。通過(guò)對(duì)2017年和2018年這個(gè)段機(jī)車整備報(bào)活情況和線上故障分析情況進(jìn)行查詢，沒(méi)有查詢到1、6位制動(dòng)橫拉桿丟失的故障。除1、6位制動(dòng)橫拉桿外，這個(gè)段還為其他位置上的制動(dòng)橫拉桿加裝了橫向防脫卡子，明顯減少了其它位置上制動(dòng)橫拉桿因撞異物而脫落的故障，經(jīng)對(duì)這兩年的故障臺(tái)賬查詢，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)脫落故障記錄。實(shí)踐證明本文介紹的制動(dòng)橫拉桿改造方法和防故障措施取得了預(yù)期效果。