重載貨車轉(zhuǎn)向架搖枕試驗(yàn)研究

蘇硯幫 蔡世超 封立琪

摘要：簡要介紹了國內(nèi)重載貨車轉(zhuǎn)向架的種類、結(jié)構(gòu)，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)，校核了DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度。同時(shí)，對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕進(jìn)行了疲勞損傷分析。

關(guān)鍵詞：重載;搖枕;靜強(qiáng)度;疲勞損傷

中圖分類號(hào)：U270.38+8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0080-03

0? 引言

重載運(yùn)輸可以大幅提高運(yùn)輸能力和運(yùn)營收入，降低維修成本，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢明顯，各國通過發(fā)展重載運(yùn)輸均取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1]。美國通過大力發(fā)展重載運(yùn)輸，在1981-2000年，I級(jí)鐵路總生產(chǎn)效率提高了173%，運(yùn)價(jià)降低了29%[2]。目前，我國鐵路貨車運(yùn)營速度普遍達(dá)到120km/h，為了進(jìn)一步提高貨運(yùn)能力，提高貨車軸重，研制重載貨車，是我國發(fā)展鐵路貨運(yùn)的必要措施。

在前期研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)貨車設(shè)計(jì)制造企業(yè)、科研院所、高校持續(xù)攻關(guān)，在重載貨車轉(zhuǎn)向架、車體輕量化、列車縱向沖擊等技術(shù)領(lǐng)域取得了突破[3]。2009年開始，陸續(xù)研制了不同類型的27t軸重貨車和30t軸重貨車。

1? 重載貨車轉(zhuǎn)向架種類

近幾年，在大軸重貨車轉(zhuǎn)向架低動(dòng)力作用、高可靠性輪軸和軸承等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得較大進(jìn)展，開發(fā)研制適合我國國情的大軸重貨車轉(zhuǎn)向架，實(shí)現(xiàn)了重載技術(shù)新跨越。國內(nèi)各主機(jī)制造企業(yè)陸續(xù)研制了27t軸重DZ1型、DZ2型、DZ3型以及30t軸重DZ4型、DZ5型、30t軸重副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架。

1.1 27t軸重轉(zhuǎn)向架（圖1）

1.1.1 DZ1型轉(zhuǎn)向架

DZ1型轉(zhuǎn)向架是27 t軸重交叉支撐式轉(zhuǎn)向架，技術(shù)原理、基本結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架相似，主要變化是采用了八字形軸箱橡膠墊，提升了低動(dòng)力作用性能，采用了直徑915mm的車輪，并提高車輪硬度，進(jìn)一步降低輪軌間接觸應(yīng)力，采用了CJC系列長行程彈性旁承。

1.1.2 DZ2型轉(zhuǎn)向架

DZ2型轉(zhuǎn)向架是27t軸重?cái)[動(dòng)式轉(zhuǎn)向架，技術(shù)原理與轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架相似，主要變化是一系為軸箱橡膠彈性懸掛結(jié)構(gòu)，選用直徑915 mm的車輪，提高車輪硬度，采用了CZC系列長行程彈性旁承。

1.1.3 DZ3型轉(zhuǎn)向架

DZ3型轉(zhuǎn)向架是27 t軸重副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，是在轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上研制的。與轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架相比，主要變化是搖枕、側(cè)架全部實(shí)現(xiàn)了無焊接設(shè)計(jì)，承載鞍與副構(gòu)架分體設(shè)計(jì)，采用了新型“V”型長行程常接觸彈性旁承。

1.2 30t軸重轉(zhuǎn)向架（圖2）

1.2.1 DZ4型轉(zhuǎn)向架

DZ4型轉(zhuǎn)向架是30t軸重交叉支撐式轉(zhuǎn)向架，基本結(jié)構(gòu)與DZ1型轉(zhuǎn)向架相似，除搖枕、側(cè)架、彈簧減振裝置外其余零部件均能與轉(zhuǎn)K6、DZ1型轉(zhuǎn)向架通用，通用化和模塊化程度高。與DZ1型轉(zhuǎn)向架相比，主要變化是轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)不同，由于車輛設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和車輛自重的要求采用了BAB-1型集成制動(dòng)裝置。

1.2.2 DZ5型轉(zhuǎn)向架

DZ5型轉(zhuǎn)向架是30 t軸重?cái)[動(dòng)式轉(zhuǎn)向架，基本結(jié)構(gòu)與DZ2型轉(zhuǎn)向架相似，具有較高的通用化和模塊化程度。與DZ2型轉(zhuǎn)向架相比，DZ5型轉(zhuǎn)向架其主要變化是轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)不同，采用了DAB-1型集成制動(dòng)裝置。

1.2.3 30t軸重副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架

30t軸重副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架是在融合北美DR和AR自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)和總結(jié)副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研制的。采用了寬導(dǎo)框承載鞍、八字形軸箱橡膠堆彈性定位，簡化U形副構(gòu)架結(jié)構(gòu)。搖枕、側(cè)架等大部件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架兼容性提升，進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)向架的通用化和模塊化程度和運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性。

2? DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕臺(tái)架試驗(yàn)

隨著軸重的增加，轉(zhuǎn)向架的承受的載荷也隨之大幅增加，這對轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、運(yùn)用性能提出了更高的要求。為確保轉(zhuǎn)向架在運(yùn)用中的安全性，在轉(zhuǎn)向架投入運(yùn)用前，有必要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件對轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵承載部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。

靜載荷試驗(yàn)與靜強(qiáng)度試驗(yàn)以及疲勞試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品使用性能的基本方法之一，主要用于考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否合理，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足運(yùn)用要求。目前，行業(yè)內(nèi)重載貨車搖枕的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》、TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗(yàn)》、TJ/CL 470-2016《DZ1、DZ2、DZ3型轉(zhuǎn)向架搖枕、側(cè)架技術(shù)條件》、TJ/CL 025-2016《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件》等。

2.1 靜載荷試驗(yàn)

DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜載荷試驗(yàn)依據(jù)TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗(yàn)》進(jìn)行。搖枕載荷試驗(yàn)的安裝及加載方式如圖3所示。

DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕靜載荷試驗(yàn)，需進(jìn)行心盤垂向彈性變形、心盤垂向永久變形、心盤垂向最小極限載荷三個(gè)工況加載。試驗(yàn)過程是：先施加與彈性變形試驗(yàn)相同的載荷進(jìn)行預(yù)壓，然后降至22.25kN的初始載荷，將百分表或撓度計(jì)調(diào)零;在初始載荷的基礎(chǔ)上再施加彈性變形試驗(yàn)載荷，測量彈性變形量;將載荷降至22.25kN，百分表或撓度計(jì)調(diào)零后，將載荷加至永久變形試驗(yàn)載荷（初始載荷包括在內(nèi)），再降至22.25kN，測量永久變形量。垂向最小極限載荷試驗(yàn)作為最后一項(xiàng)進(jìn)行，測量垂向永久變形量后，將載荷加至最小極限載荷。對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕依據(jù)TB/T 1959-2006進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)，結(jié)果見表1。（圖4）

2.2 疲勞試驗(yàn)

疲勞破壞是貨車轉(zhuǎn)向架部件主要的失效形式之一，在新設(shè)計(jì)產(chǎn)品試制完成以及原有產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及工藝等方面有重大改變時(shí)，一般要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)來檢驗(yàn)其疲勞可靠性是否能夠滿足運(yùn)用要求。目前，DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的疲勞試驗(yàn)依據(jù)TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗(yàn)》進(jìn)行，搖枕疲勞試驗(yàn)試件安裝及加載方式如圖5所示。

為了保障加載頻率，在疲勞試驗(yàn)中，在搖枕彈簧承臺(tái)位置，未選用螺旋鋼彈簧支撐，而用剛性接觸替代。需注意的是，在試驗(yàn)過程中，要釋放搖枕縱向垂直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)自由度。

搖枕疲勞試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)共計(jì)100萬次，分10個(gè)加載單元進(jìn)行施加，每個(gè)加載單元循環(huán)次數(shù)為10萬次。在每一加載單元均包括旁承側(cè)滾工況、心盤側(cè)滾工況、心盤浮沉工況，三種試驗(yàn)工況的載荷值見表2。（圖6）

在疲勞試驗(yàn)臺(tái)上，依據(jù)TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗(yàn)》，對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕進(jìn)行了100萬次加載，試驗(yàn)結(jié)束后，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.3 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

目前，DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》、TJ/CL470-2016《DZ1、DZ2、DZ3型轉(zhuǎn)向架搖枕、側(cè)架技術(shù)條件》、TJ/CL025-2016《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件》進(jìn)行。試驗(yàn)工況為垂向載荷P與水平載荷0.25P的合成工況，要求各測點(diǎn)的應(yīng)力值應(yīng)不大于[σ1]=151MPa。

搖枕靜強(qiáng)度試驗(yàn)中垂向載荷施加在搖枕心盤面上，搖枕兩端彈簧支承面處以剛性支承，釋放搖枕端部在搖枕縱向垂直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)自由度，水平載荷施加在搖枕側(cè)面中央截面處，對搖枕端部側(cè)面進(jìn)行約束，同時(shí)釋放端部側(cè)面在搖枕水平平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)自由度。

依據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》、TJ/CL470-2016《DZ1、DZ2、DZ3型轉(zhuǎn)向架搖枕、側(cè)架技術(shù)條件》、TJ/CL025-2016《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件》對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，在垂向載荷P、水平載荷0.25P作用下，最大應(yīng)力值為129.03MPa，所有測點(diǎn)的應(yīng)力均未超過材料的許用應(yīng)力。

3? 疲勞損傷分析

在試驗(yàn)臺(tái)上，對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕依據(jù)TB/T1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗(yàn)》進(jìn)行加載，選取搖枕大應(yīng)力點(diǎn)布置應(yīng)變片，采集測點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程，利用雨流計(jì)數(shù)法得到該應(yīng)力時(shí)間歷程的8級(jí)應(yīng)力譜，根據(jù)Palmgren-Miner法則，分別計(jì)算各測點(diǎn)在旁承側(cè)滾、心盤側(cè)滾和心盤浮沉工況下的疲勞損傷值。

式中，ni指第i級(jí)應(yīng)力范圍的循環(huán)次數(shù);Ni指第i級(jí)應(yīng)力范圍相對應(yīng)得疲勞壽命;？駐？滓i指第i級(jí)應(yīng)力范圍;？駐？滓R，L指拐點(diǎn)處應(yīng)力范圍特征值;C1、C2是常數(shù);m1、m2指S-N雙對數(shù)折線的反斜率。

DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕為B+級(jí)鋼鑄造件，所布測點(diǎn)位置均為母材，經(jīng)查IIW-2259-15《Recommendations for fatigue design of welded joints and components》，測點(diǎn)位置FAT等級(jí)為160.0MPa，拐點(diǎn)應(yīng)力范圍為116.0MPa，m1取值為5，m2取值為9，C1取值為2.097E+17，C2取值為3.803E+25。

根據(jù)以上公式計(jì)算DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕旁承側(cè)滾、心盤側(cè)滾、心盤浮沉試驗(yàn)的損傷值及DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕疲勞試驗(yàn)的損傷值，具體結(jié)果詳見表3。

經(jīng)計(jì)算，疲勞試驗(yàn)后，所有測點(diǎn)中損傷最大值為0.2589， DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕有一定安全余量。同時(shí)，在搖枕疲勞試驗(yàn)中，心盤側(cè)滾和心盤浮沉造成的損傷最大。以測點(diǎn)7為例，心盤側(cè)滾工況造成的損傷達(dá)到67.98%，心盤浮沉工況造成的損傷達(dá)到30.75%。

4? 結(jié)論與展望

從試驗(yàn)結(jié)果看，DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜載荷、靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過損傷計(jì)算，所布測點(diǎn)的最大值損傷量為0.2589，心盤側(cè)滾工況和心盤浮沉工況造成的損傷量遠(yuǎn)大于旁承側(cè)滾工況造成的損傷量。通過持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，我國重載轉(zhuǎn)向架技術(shù)取得了較大突破，陸續(xù)研制了27t軸重和30t軸重轉(zhuǎn)向架，并投入運(yùn)用，我國鐵路貨車的列車軸重、牽引重量和年運(yùn)量達(dá)到國際重載標(biāo)準(zhǔn)。后期在轉(zhuǎn)向架降噪、提高運(yùn)行可靠性方面需進(jìn)一步深入研究。

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