鐵路貨車輕量化牽引桿的研制

金朋迪，孟慶民

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發中心，遼寧 大連 116052)

牽引桿在鐵路貨車長大編組重載運輸中起重要作用，可縮小列車的縱向間隙，降低長大列車由于間隙效應對縱向動力學性能的影響，同時顯著提高牽引裝置的疲勞可靠性。為進一步降低車輛自重，提高載重能力，實現運輸效益的最大化，在我國既有鐵路貨車用RFC型牽引桿基礎上研制了新型輕量化牽引桿。新型輕量化牽引桿可替代2個互相連掛的車鉤，車輛一般為2～5輛一組，適應翻車機作業。

該新型輕量化牽引桿已經在25 t軸重輕量化鋁合金煤炭漏斗車上裝車運用，效果良好，目前正積極在國際市場推廣應用。

1 主要結構

目前國內重載運輸應用最為廣泛的是RFC型牽引桿，圖1為RFC型牽引桿和輕量化牽引桿結構對比。輕量化牽引桿兩端均采用豎穿圓銷孔以及鉤尾球面結構，整體結構左右對稱?？蓪崿F模塊化設計，端部工裝不變，調節中部工裝長度即可實現不同長度牽引桿的制造。

圖1 RFC型牽引桿和輕量化牽引桿結構對比

輕量化牽引桿桿身遵循截面等強度設計理念，將既有的箱形截面優化為近圓柱結構，大幅度減輕了單位截面的質量；在滿足強度要求的基礎上，質量多分布于距離截面形心較遠的圓周位置上，增大了慣性矩，使牽引桿具有良好的屈曲穩定性；牽引桿上部采用無擋肩結構，進一步降低了產品自重。另外，此結構也更便于牽引桿內腔的清理，有利于提高產品質量。

1.1 牽引桿桿身截面壁厚設計

根據失穩臨界壓力歐拉公式:

(1)

式中：Pcr——臨界壓力；

E——彈性模量；

I——橫截面最小形心主慣性矩；

l——牽引桿桿長。

預留安全裕量，屈曲系數不低于1.2，可確定牽引桿桿身截面壁厚不低于18 mm。

1.2 牽引桿工藝孔設計

為保證結構具有較好的鑄造工藝性，整個牽引桿共設置6個工藝孔，以方便芯體的定位和牽引桿內腔的清理，并將工藝孔設計為扁圓孔以減少工藝孔處的應力集中。為滿足工藝孔處強度，在牽引桿內部設有凸臺，凸臺與內壁兩側連接，且最低處與桿身內部平齊，既提高了結構穩定性，又便于排水避免銹蝕。圖2為原牽引桿和新型輕量化牽引桿凸臺結構對比。

圖2 原牽引桿和輕量化牽引桿凸臺結構對比

2 主要技術參數

表1為輕量化牽引桿主要技術參數。

表1 輕量化牽引桿主要技術參數

3 主要特點

(1) 輕量化程度高。牽引桿桿身部分根據截面等強度設計理念采用近似圓柱形截面結構，在保證結構強度和屈曲穩定性的前提下，大幅度降低了單位截面質量。牽引桿強度儲備較高，從屈曲穩定性入手，推導計算了桿身截面壁厚的極限值。材料利用率高，相比傳統結構減重20%以上。

(2) 結構強度高。牽引桿桿身和工藝孔結構設計合理，具有較高的結構強度，最小破壞載荷可達到4 005 kN。大幅輕量化的同時，結構強度與RFC型牽引桿相當，且具有較高的強度安全裕量。

(3) 模塊化程度高。采用模塊化設計，通過調節中部工裝長度可實現不同長度牽引桿的制造，適應不同車輛的使用需求，實現產品系列化，進一步降低綜合制造成本。

(4) 通用性好。牽引桿可通過鉤尾銷與既有17型鉤尾框連接，且與既有安裝方式相同。

(5) 耐磨性能好。牽引桿采用E級鋼制造，提高了鉤體、鉤舌的耐磨性能，同時鉤尾銷孔及尾部球面也進行了表面硬化處理，提高了鉤尾配合部位的耐磨性，降低了檢修工作量和成本。

(6) 綜合性價比高。牽引桿為鑄造件，減重是最直接、最顯著的降本方式。桿身和工藝孔結構便于內腔清理，降低工藝孔處應力集中，便于排水以避免銹蝕，降低使用維護成本。產品制造和檢修維護綜合性價比優，具有較強的市場競爭力。

4 仿真分析

采用NX CAE非線性仿真軟件分析了輕量化牽引桿在4 005 kN拉伸載荷和4 000 kN壓縮載荷2種工況下的應力情況。分析結果顯示：

(1) 輕量化牽引桿在4 005 kN拉伸載荷作用下，主要受力部位在鉤尾銷孔區域，且最大應力在抗拉強度以下，與既有牽引桿應力相當；

(2) 在4 000 kN壓縮伸載荷作用下，屈曲系數大于1，符合使用要求。

5 試驗

為進一步驗證輕量化牽引桿的強度滿足要求，對試制的輕量化牽引桿進行了靜載荷試驗(圖3)。試驗結果顯示：

圖3 牽引桿靜載荷試驗

(1) 牽引桿的最小破壞載荷符合規定的4 005 kN的要求；

(2) 在2 000 kN拉伸載荷作用下最大永久變形符合規定的≤1 mm的要求。

6 結束語

在繼承既有貨車牽引桿成熟結構及運用經驗基礎上研發的輕量化牽引桿，具有輕量化及模塊化設計、強度高、耐磨和綜合性價比優等特點，可降低車輛自重，減少列車縱向沖動，可滿足重載運輸貨車使用需要，在一定程度上提高了鐵路貨車牽引桿技術水平，同時在國際重載運輸市場也有較強的市場競爭力。