帶有碳粉收集功能的新型轉(zhuǎn)向架接地軸端研究

徐志龍，諶亮，呂常秀，韓宣，王顯亮，孫浩晏

(中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062)

動車組因其安全、方便、舒適、快捷而成為人們出行的首選工具[1-2]，為了滿足更快、更舒適的需求，對動車組轉(zhuǎn)向架的要求也越來越高[3-4].動車組轉(zhuǎn)向架通常設(shè)有構(gòu)架、懸掛裝置、中央牽引裝置、制動裝置、軸端裝置、輪對軸箱組成裝置、驅(qū)動裝置、輔助裝置等組成[5-7].轉(zhuǎn)向架配置不同的軸端可實現(xiàn)不同的功能，如配置防滑速度傳感器的軸端可為制動系統(tǒng)判斷滑移狀態(tài)提供依據(jù)[8]，配置接地回流裝置的軸端可避免電流對軸箱軸承造成電腐蝕，結(jié)合車輛運(yùn)用情況，既有轉(zhuǎn)向架接地軸端結(jié)構(gòu)[9-10]運(yùn)用過程中發(fā)生過以下問題：

(1)摩擦副為軸向接觸形式的接地回流裝置通常不具有收集碳粉的功能，導(dǎo)致碳粉進(jìn)入到軸承內(nèi)部，不僅污染整個軸端還致使?jié)櫥椭兏伞⑤S溫升高;

(2)部分動車組接地軸箱端蓋與軸端過渡蓋連接螺栓規(guī)格偏小、強(qiáng)度不足，運(yùn)用中存在螺栓脫落或折斷風(fēng)險.

針對上述既有問題(1)，重新設(shè)計接地軸箱端蓋和接地摩擦盤，改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)對比如圖1所示.

從圖1可以看到，改進(jìn)前接地軸箱端蓋和接地摩擦盤沒有設(shè)置碳粉收集腔，無碳粉收集功能，而改進(jìn)后的接地軸箱端蓋和接地摩擦盤預(yù)留碳粉收集腔結(jié)構(gòu)，具有碳粉收集功能，能夠有效解決碳粉污染軸端、導(dǎo)致軸溫升高的問題.

(a)改進(jìn)前 (b)改進(jìn)后圖1 接地軸箱端蓋和摩擦盤改進(jìn)前后對比圖

針對上述既有問題(2)，對接地軸箱端蓋和與軸箱過渡蓋連接緊固件重新選型，提高螺栓連接可靠性.

綜上，本文對既有動車組轉(zhuǎn)向架接地回流軸端裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并通過仿真分析驗證結(jié)構(gòu)的合理性.

1 新型結(jié)構(gòu)的動車組轉(zhuǎn)向架接地軸端

本文所展示的是一種帶碳粉收集功能結(jié)構(gòu)的接地軸端裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.軸端安裝結(jié)構(gòu)從外向里分別是接地回流裝置、接地軸箱端蓋、接地摩擦盤、測速齒輪、速度傳感器、軸箱過渡蓋.

圖2 接地軸端結(jié)構(gòu)示意圖

接地軸端創(chuàng)新點如下：

(1)研制出帶碳粉收集功能的軸端接地回流裝置，碳粉收集腔(如圖3所示)設(shè)置在接地軸箱端蓋及摩擦盤圓周方向上，摩擦盤與接地軸箱端蓋安裝為小間隙配合，接地回流裝置磨耗掉的碳粉在車輛運(yùn)行中由車軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下落于碳粉收集腔內(nèi)，有效阻止碳粉進(jìn)入軸承內(nèi)部，進(jìn)而避免導(dǎo)致軸溫升高問題.

圖3 碳粉收集腔示意圖

(2)將接地軸箱端蓋與軸箱過渡蓋聯(lián)接緊固件進(jìn)行調(diào)整，安裝螺栓規(guī)格由原來的M8調(diào)整為M10，墊圈由普通彈墊調(diào)整為楔形防松墊圈來增大摩擦力，相應(yīng)軸箱過渡蓋和接地軸箱端蓋上的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，軸箱過渡蓋螺栓孔由M8調(diào)整為M10，接地軸箱端蓋螺栓孔由φ9調(diào)整為φ11，螺栓聯(lián)接部位如圖4所示.

圖4 螺栓連接部位示意圖

2 有限元仿真分析驗證

本文軸端接地裝置較既有結(jié)構(gòu)相比，接地軸箱端蓋增加碳粉收集腔結(jié)構(gòu)，接地軸箱端蓋螺栓孔由φ9調(diào)整為φ11，軸箱過渡蓋螺栓孔由M8調(diào)整為M10，故重點對接地軸箱端蓋及軸箱過渡蓋進(jìn)行強(qiáng)度校核.

2.1 靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析

2.1.1 靜強(qiáng)度分析

接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋除承受來自軸箱(約88kg)的三向加速度，還承受來自軸承的橫向力，根據(jù)EN13749-2011標(biāo)準(zhǔn)[11]，取接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋的垂向、橫向、縱向最大加速度分別為70、10、10g，根據(jù)上述結(jié)果，列出靜強(qiáng)度分析組合工況如表1所示.

表1 靜強(qiáng)度分析組合工況

2.1.2 靜強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)接地軸箱端蓋及軸箱過渡蓋的材料類型得到靜強(qiáng)度的校核標(biāo)準(zhǔn)如表2所示.

表2 靜強(qiáng)度許用值

2.1.3 分析結(jié)果

借助ANSYS軟件，在接地裝置組合模型上施加各組合工況，組合工況下的接地軸箱端蓋與軸箱過渡蓋應(yīng)力分析結(jié)果如表3所示.

由表3可知，接地軸箱端蓋的最大應(yīng)力為163 MPa，該數(shù)值小于接地軸箱端蓋許用應(yīng)力240 MPa，滿足要求;軸箱過渡蓋的最大應(yīng)力為196 MPa，該數(shù)值小于軸箱過渡蓋的許用應(yīng)力240 MPa，滿足要求.綜上，接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋的靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

表3 分析結(jié)果 MPa

2.1.4 疲勞強(qiáng)度分析

接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋除承受來自軸箱的三向加速度，軸箱過渡蓋還承受來自軸承的橫向力，根據(jù)EN13749-2011標(biāo)準(zhǔn)，取接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋的垂向、橫向、縱向最大加速度分別為26、5、5 g，根據(jù)上述結(jié)果，列出疲勞強(qiáng)度分析組合工況如表4所示.

表4 疲勞強(qiáng)度組合分析工況

2.1.5 疲勞強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)接地軸箱端蓋及軸箱過渡蓋的材料類型得到疲勞強(qiáng)度的校核標(biāo)準(zhǔn)如表5所示.

表5 疲勞強(qiáng)度許用值

2.1.6 疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果

借助ANSYS軟件，在接地裝置組合模型上施加各組合工況，組合工況下的接地軸箱端蓋與軸箱過渡蓋應(yīng)力分析結(jié)果如表6所示.

表6 疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果 MPa

由表6可知，接地軸箱端蓋的最大應(yīng)力為93 MPa，該數(shù)值小于接地軸箱端蓋許用應(yīng)力122 MPa，滿足要求，軸箱過渡蓋的最大應(yīng)力為120 MPa，該數(shù)值小于軸箱過渡蓋的許用應(yīng)力122 MPa，滿足要求.綜上，接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋的疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

2.2 螺栓強(qiáng)度校核

采用經(jīng)典力學(xué)算法對整個軸端的連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核，下面以接地回流裝置安裝螺栓為例展示強(qiáng)度校核過程.

接地回流裝置重量約2.5 kg，通過3個M12×55的雙頭螺柱和接地軸箱端蓋連接.

(1)雙頭螺柱性能參數(shù)

雙頭螺柱強(qiáng)度等級、屈服強(qiáng)度等參數(shù)見表7.

表7 螺栓參數(shù)

(2)緊固力矩校核

①靜態(tài)工況校核

根據(jù)公式：Ty=rf·Fy

其中,Fy為預(yù)緊力，Ty為預(yù)緊力矩，rf為摩擦力臂，干摩擦?xí)r，一般取rf=0.2 d.則預(yù)緊力：

Fy=35 000/(0.2×12)=14 583.3 N

根據(jù)VDI2230-2003標(biāo)準(zhǔn)，M12粗牙螺紋的應(yīng)力截面積為S=84.3 mm2，由于擰緊雙頭螺柱時其承受拉伸及扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，故總拉力按照增加30%后考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響，于是M12螺栓所承受的名義拉應(yīng)力為：

σ=1.3Fy/S=224.9 MPa

其許用應(yīng)力為

[σ]=σs/S=900/1.5=600 MPa

式中,S為安全系數(shù)，S=1.2～1.5，取保守值，此處可取1.5.

綜上，σ<[σ]，故螺栓強(qiáng)度滿足設(shè)計要求.

②動態(tài)工況校核

工況一：沿螺柱軸向承受振動加速度

根據(jù)EN13749標(biāo)準(zhǔn)，軸箱橫向振動加速度為10 g，軸端接地回流裝置總成重量2.5 kg(不包含摩擦盤)，在振動加速度的作用下單個螺柱上的軸向力為(2.5×10×9.8)/3=81.67 N，單個螺柱的預(yù)緊力為1 4583.3 N，遠(yuǎn)大于軸端接地回流裝置在振動加速度作用下產(chǎn)生的軸向力，故滿足要求.

工況二：沿螺柱徑向施加振動加速度

根據(jù)EN13749標(biāo)準(zhǔn)，軸箱垂向振動加速度為70 g、縱向振動加速度為10 g，在振動加速度的作用下單個螺栓產(chǎn)生的徑向力為：

在螺柱預(yù)緊力的作用下，絕緣墊與軸箱端蓋之間有靜摩擦力，摩擦系數(shù)在沒有潤滑的情況下為0.2，則靜摩擦力為：

14 583.3×0.2=2 916.66 N

抗滑移安全系數(shù)：2916.66/577.47=5.05>1.2,滿足要求.

經(jīng)過校核，接地裝置各部位安裝螺栓均滿足使用要求.

3 結(jié)論

既有摩擦副為軸向接觸形式的接地回流裝置不具有收集碳粉的功能，是碳粉進(jìn)入到軸承內(nèi)部導(dǎo)致軸溫升高的主要原因，本文所展示接地裝置通過接地軸箱端蓋和接地摩擦盤預(yù)留碳粉收集腔結(jié)構(gòu)，具有碳粉收集功能，能夠有效解決碳粉污染軸端、導(dǎo)致軸溫升高的問題.同時對該接地軸端結(jié)構(gòu)的聯(lián)接緊固件進(jìn)行重新選型，提高螺栓連接可靠性.通過有限元仿真分析技術(shù)對新接地軸端結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，對載荷組合工況進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評估，計算結(jié)構(gòu)及評估結(jié)果均滿足要求，通過經(jīng)典力學(xué)算法對本接地軸端裝置的連接螺栓進(jìn)行校核，各部位安裝螺栓均滿足使用要求.綜上，本接地軸端裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、強(qiáng)度可靠，在動車組上已批量應(yīng)用，取得了良好效果.