基于有限元分析的ST1-600型、ST2-250型閘調(diào)器筒體與后蓋配合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

吳永錄 章寅寅

1.中國鐵路成都局集團有限公司貴陽車輛監(jiān)造項目部 貴州 貴陽 550017；

2.中車貴陽車輛有限公司 貴州 貴陽 550017

前言

ST1-600、ST2-250型閘調(diào)器（以下簡稱閘調(diào)器）在運用中后蓋脫出已成為其慣性質(zhì)量問題之一。貴陽公司2019年08月至2020年11月共檢修閘調(diào)器12030件，發(fā)現(xiàn)筒體后蓋松動的1100件，占比9.14%，松動的后蓋在運用時可能就會脫出，對閘調(diào)器運用將產(chǎn)生較大影響，存在較為嚴重的質(zhì)量安全隱患。如何解決閘調(diào)器后蓋脫出問題，已成為亟待解決的問題。

1 筒體與后蓋配合結(jié)構(gòu)分析

由閘調(diào)器筒體、后蓋圖樣可知，筒體與后蓋配合為過盈配合，過盈量為0.07～0.178mm，過盈配合有效接觸長度為5mm；后蓋壓入筒體后，邊緣再滾壓成型，筒體形成一個包角包住后蓋，包角大小為后蓋該處角度大小，為11°或25°。

對上述結(jié)構(gòu)我們從兩方面進行理論分析[1]：一方面是閘調(diào)器運用時后蓋可能的最大受力分析，另一方面是后蓋壓出力分析。通過對比上述兩方面分析結(jié)果，判斷設(shè)計結(jié)構(gòu)是否存在缺陷。

1.1 閘調(diào)器后蓋最大受力分析

針對目前的鐵路通用貨車，綜合對比各種制動系統(tǒng)配置發(fā)現(xiàn)，當采用356×254制動缸、ST2-250型閘調(diào)器、4.8的制動倍率時在重車工況下閘調(diào)器拉桿受力最大，根據(jù)杠桿原理可知，閘調(diào)器拉桿所受拉力與制動缸推力關(guān)系表達式為：

F拉為閘調(diào)器拉桿受力，F(xiàn)制為制動缸推桿推力，a為制動杠桿上制動缸推桿圓銷孔與閘調(diào)器拉桿頭圓銷孔距離，b為制動杠桿上閘調(diào)器拉桿頭圓銷孔與上拉桿圓銷孔距離。

基于上述制動系統(tǒng)配置，取重車位制動缸壓力為380kPa（實際受主管定壓、制動缸行程會不同，該處按正常情況重車制動缸壓力標準值上限取值），制動缸直徑為356mm，制動杠桿尺寸329mm×548mm，忽略制動缸緩解彈簧反力等阻力，得出閘調(diào)器拉桿所受拉力為：

后蓋受力主要是主彈簧對其推力，在某些極端情況下，如主彈簧壓并且制動缸未達到全行程時，后蓋受到主彈簧的推力與拉桿頭受到拉力相等，即可達到60.5kN。

1.2 后蓋壓出力分析

對后蓋與筒體配合過盈量取下限0.07mm，包角分別取11°、25°，通過有限元軟件ABAQUS進行有限元仿真分析，確定不同情況下的壓出力，具體結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1可知：后蓋11°包角、0.07mm過盈狀態(tài)下，壓出力為45.4KN；后蓋25 °包角、0.07mm過盈狀態(tài)下，壓出力為60.84KN。

因此，根據(jù)上表壓出力結(jié)果對比上述制動系統(tǒng)配置在重車工況某些極端狀況下主彈簧壓并時后蓋受力60.5kN可知：11°包角后蓋可能被壓出；25°包角后蓋剛剛滿足其受力極限，并無安全余量，隨著運用也可能被壓出。說明閘調(diào)器筒體與后蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計存在一定缺陷。

表1 壓出力分析結(jié)果

2 筒體與后蓋配合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)《ST2-250型閘調(diào)器設(shè)計說明書》可知，閘調(diào)器設(shè)計技術(shù)參數(shù)中規(guī)定其最大允許拉力為78.4kN，該拉力即指拉桿最大允許拉力[2]。因某些極端情況下后蓋受力與拉桿受力相等，故后蓋應滿足在78.4kN壓力作用下不脫出。以此為基礎(chǔ)，通過有限元分析計算后蓋過盈量及包角分別須達到怎樣的參數(shù)，才能滿足在78.4kN壓力作用下后蓋不脫出；另一方面，參照前蓋與筒體配合結(jié)構(gòu)對后蓋與筒體配合結(jié)構(gòu)更改為螺紋連接，通過有限元分析計算相應的壓出力，判斷螺紋連接的可靠性。通過分析：后蓋與簡體過盈量為0.22mm時，其壓出力為78.6kN；后蓋與簡體包角角度為35°時，其壓出力為91.72kN；后蓋與簡體為螺旋連接方式時，其壓出力為170.20kN；均能滿足在78.4kN壓力作用下后蓋不脫出。

因此，一定程度上增加后蓋與筒體配合過盈量或增大包角可增大其配合強度；將配合結(jié)構(gòu)改為螺紋結(jié)構(gòu)，配合強度將大幅度增加。因此，可通過優(yōu)化筒體與后蓋配合的過盈量及包邊角度技術(shù)參數(shù)或?qū)⑵渑浜辖Y(jié)構(gòu)改為螺紋連接能有效解決閘調(diào)器后蓋脫出問題。

3 結(jié)束語

3.1 不改變

既有配合方式情況下，閘調(diào)器后蓋與筒體配合過盈量建議設(shè)計為0.22mm，同時將筒體與后蓋包邊角度設(shè)計為35°。

3.2 改變

既有配合方式情況下，閘調(diào)器后蓋與筒體配合方式建議改為螺紋連接。