鐵路貨車心盤試驗裝置的改進與應用

李 威，蔡世超，蘇硯幫

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術中心，山東 青島 266031)

鐵路貨車心盤作為關鍵部件，其結構的好壞直接影響車輛運行性能及運輸安全。貨車的上下心盤接觸面為平面，車體的垂向載荷通過心盤平面傳到轉向架上，縱向、橫向載荷由下心盤四周凸緣傳遞。目前，對于鐵路貨車上心盤考核的主要依據是TB/T 3011—2001《鐵道通用貨車上心盤疲勞試驗及評定方法》、TB/T 46—2015《鐵道車輛心盤》，標準要求對鐵路貨車鍛造上心盤進行600萬次疲勞試驗。

1 原心盤試驗裝置及存在問題

圖1是滿足TB/T 3011—2001規定的原心盤試驗裝置結構。為了保障試驗的穩定性，利用原心盤疲勞試驗裝置試驗時將上心盤試樣和中枕梁結點部件一起反扣在基座上。同時，為模擬上心盤承載惡劣的側滾工況，通過加墊板的方式將中枕梁結點部件與基座水平面成1.6°的夾角，該夾角與車輛側滾時上下心盤的最大傾角相等。平衡架分別連接支撐架、疲勞試驗設備動力壓頭和下心盤，保證下心盤在試驗時保持水平。

S.上心盤偏移量(由上心盤直徑及斜削棱線確定)。

原心盤試驗裝置是依據TB/T 3011—2001設計的，已使用了多年，這期間我國鐵路貨車轉向架有了長足的發展，相繼研發了轉8G、轉K2、轉K6、DZ1、DZ2、DZ5型等多型號轉向架，軸重從21 t也逐漸增加到25 t、27 t和30 t等，單一規格的試驗裝置已經滿足不了多種型號轉向架心盤疲勞試驗的需求，而如果針對每一型號心盤均設計、制造特定的試驗裝置，制造成本、管理成本太高。目前原心盤試驗裝置存在的問題有：

(1) 基座和中枕梁結點部件體積和質量大，制造費用高，管理成本和存儲成本也相對較高；

(2) 支撐架和平衡架穩定性較差，試驗加載頻率超過3 Hz后容易失穩，因此試驗中加載頻率一般無法超過3 Hz，單件心盤疲勞試驗就需要23天，試驗效率低。

2 改進型心盤疲勞試驗裝置

目前常用鐵路貨車轉向架心盤尺寸見圖2和表1。

圖2 上心盤產品尺寸示意圖

表1 常用鐵路貨車上心盤尺寸

2.1 設計方案

針對原試驗裝置存在的問題，本著通用化、模塊化、精益化的試驗工裝設計理念，以改善不良狀況為目標，設計制造了改進型心盤試驗裝置，如圖3和圖4所示。與原試驗裝置相比，改進型試驗裝置去除了中枕梁結點部件，將上心盤試樣直接與基座相連，基座上表面直接機加工出1.6°角的斜面。下心盤與平衡板連接，平衡板開多個連接孔，可適用目前所有型號下心盤。將原有支撐架、平衡架的模式改成垂向導柱加直線軸承的配合模式，使試驗過程中施加載荷時下心盤保持水平。

圖3 改進型心盤試驗裝置結構

圖4 改進型心盤試驗裝置三維圖

2.2 優點分析

(1) 對目前常用鐵路貨車心盤尺寸進行統計分析，采用通用化、模塊化設計，平衡板裝置適合多型號的產品。

(2) 采用輕量化、簡易化設計，去除了原試驗裝置中的中枕梁結點部件、支撐架，大幅簡化基座部件。

(3) 直接將基座上表面與水平面夾角設計為1.6°，與通過墊板調整為1.6°的方式相比，試件安裝更加便捷，加載穩定性更好。平衡板、直線軸承、導柱可保證試驗過程中下心盤處于水平狀態，穩定性更好。

(4) 加載頻率可滿足相關標準規定的3～8 Hz的要求。

(5) 參照表1列出的目前常用的8種規格上心盤，以每年各型號規格僅試驗1件為例，如果使用原心盤試驗裝置進行心盤試驗，需設計多套支撐架、平衡架，試驗周期為184天。而使用改進型心盤試驗裝置只需設計1套平衡板裝置、垂向導柱，按照標準中要求的最高加載頻率8 Hz計算，試驗周期最短只需70天，大幅降低了工裝制造費用，提高了試驗效率。

3 試驗

3.1 靜強度試驗

3.1.1 試驗載荷及試驗方法

由于到目前為止貨車上心盤的靜強度試驗還沒有相應的標準可參考，靜強度試驗施加的載荷采用以往的試驗載荷，載荷值分別為108 kN、484 kN、578 kN、618 kN。以23 t軸重貨車上心盤為例，靜強度試驗共有24個測點，如圖5所示。

圖5 靜強度試驗測點布置圖

原有試驗裝置和新試驗裝置的試驗心盤放置和載荷施加情況分別見圖1和圖3。靜強度試驗時，心盤安裝面朝下放在專用試驗工裝上，心盤與工裝之間加一定厚度的墊片。工裝連同心盤一起傾斜1.6°。下心盤反扣在上心盤上，水平放置，載荷加在下心盤上，其作用線為上心盤的削斜棱線，以模擬心盤在車體側滾時的受力狀態，并測定應變分布情況。為了模擬上心盤安裝平面的不平度，試驗中在上心盤安裝接觸面加75 mm×40 mm×1.5 mm的鋼質墊片，墊片硬度不低于160 HBS。

3.1.2 試驗結果對比分析

靜強度試驗的應變較大測點分別發生在測點7、8、11、12、18、24，2種試驗裝置加裝厚度為1.5 mm墊片后各測點應變見表2。由表2可以看出，原試驗裝置測得的靜強度最大值出現在測點7，其應變值為2 167×10-6，改進型試驗裝置測得的靜強度最大值仍出現在測點7，其應變值為2 104 ×10-6。2種試驗裝置的靜強度試驗結果表明，各應力測點的應變值和應變分布趨勢基本一致。

表2 2種心盤疲勞試驗裝置靜強度試驗結果對比 ×10-6

3.2 疲勞試驗

3.2.1 試驗方法及計算公式

TB/T 3011—2001規定，疲勞試驗時，試驗裝置應能模擬貨車上心盤在運行時車體側滾狀態下的受力情況；動力壓頭與心盤中心應根據相應試件規格偏移相應距離，使載荷作用在削斜棱線上；為了模擬上心盤安裝平面的不平度，試驗中在上心盤的安裝接觸面加75 mm×40 mm×1 mm的鋼質墊片，墊片硬度不低于160 HBS；載荷加載位置同靜強度試驗，疲勞加載波形為正弦波，加載頻率為3～8 Hz；要求鍛鋼上心盤試驗循環次數達到600萬次；試驗時，每進行一定循環次數后，停機檢查試件狀況。

試驗載荷平均值Pa計算公式為：

Pa=(n×G-H)×g

(1)

式中：n——一臺轉向架的軸數；

G——軸重；

H——一臺轉向架的自重；

g——重力加速度。

利用式(1)可以得出應力循環特征r=Pmin/Pmax=0.22。

3.2.2 試驗結果

改進型試驗裝置進行疲勞試驗后被試件的狀態見圖6，圖6中的發亮部位為疲勞試驗中的載荷施加位置，基本是在上心盤的削斜棱線上，表明新試驗裝置的疲勞試驗加載受力位置及狀態滿足標準要求。

圖6 疲勞試驗后被試件狀態

4 結束語

綜上所述，采用改進型心盤試驗裝置進行心盤試驗，不但滿足標準中對疲勞試驗的各項要求，而且加載產生應力趨勢基本符合原試驗裝置試驗結果，同時改進型心盤試驗裝置做到了通用化、模塊化設計，具有輕量化和簡易化的優點，因此，改進型心盤試驗裝置在滿足TB/T 3011—2001的要求基礎上較大地提升了試驗效率，降低了試驗成本，節約了試驗資源，建議在未來心盤標準修訂時納入。