鐵路客車轉(zhuǎn)向架搖枕碳纖維安全吊研制

陳德強(qiáng)，馮遵委，胡定祥，金偉

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031）

鐵路客車209P型轉(zhuǎn)向架搖枕托梁安全吊（以下簡(jiǎn)稱安全吊）主要作用是防止搖枕吊桿發(fā)生斷裂后搖枕彈簧托梁落入軌道，起到安全防護(hù)作用，在正常運(yùn)用過(guò)程中不承受外在載荷。但是，近年來(lái)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生多起安全吊安裝座（如圖1所示）及安全吊（如圖2所示）的斷裂事故。安全吊或吊座斷裂之后，在列車運(yùn)行途中，一方面起不到安全保護(hù)作用，另一方面斷裂的安全吊極有可能落在鋼軌上或道岔上，造成鐵路事故。

圖1 安全吊安裝座斷裂

圖2 安全吊斷裂

通過(guò)對(duì)斷裂的安全吊及吊座進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)安全吊發(fā)生斷裂的主要原因是列車運(yùn)用過(guò)程中雖然安全吊本身不承受載荷，安全吊受到了外界作用力（比如構(gòu)架傳給安全吊的振動(dòng)），激發(fā)了自身的振動(dòng)模態(tài)，達(dá)到了共振之后，加速了安全吊及吊座的疲勞斷裂［1-2］。

文中根據(jù)安全吊故障原因，在不改變?cè)瓉?lái)安全吊及安裝吊座幾何形狀的前提條件下，提出了采用碳纖維材料的安全吊結(jié)構(gòu)，使整個(gè)安全吊裝置結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的疲勞強(qiáng)度和可靠性，保證車輛運(yùn)行安全。

1 碳纖維安全吊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碳纖維材質(zhì)的安全吊裝置主要由碳纖維安全吊本體和金屬襯套組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。碳纖維安全吊由碳纖維預(yù)浸料，經(jīng)過(guò)熱壓成形，并在安全吊螺栓孔處設(shè)置金屬襯套，金屬襯套采用過(guò)盈配合加粘接或者一體成型內(nèi)嵌在碳纖維安全吊安裝孔處。碳纖維安全吊具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，碳纖維安全吊材料及屬性見(jiàn)表1［3］。

表1 碳纖維安全吊材料及屬性

圖3 碳纖維托梁安全吊結(jié)構(gòu)圖

2 碳纖維安全吊結(jié)構(gòu)仿真分析

為了驗(yàn)證采用碳纖維材料安全吊的結(jié)構(gòu)可靠性，采用有限元的方法對(duì)原鋼材料安全吊與碳纖維安全吊進(jìn)行了模態(tài)及振動(dòng)疲勞壽命仿真對(duì)比分析，碳纖維安全吊有限元建模時(shí)，共設(shè)置40層，每層厚度0.2 mm，相鄰兩層纖維方向相差90°，有限元模型單元鋪層如圖4所示。

圖4 碳纖維安全吊有限元模型單元鋪層

2.1 模態(tài)分析

對(duì)比2種不同材料的托梁安全吊的模態(tài)，見(jiàn)表2。

表2 2種材料的安全吊的模態(tài)對(duì)比 單位：Hz

通過(guò)模態(tài)分析，原鋼質(zhì)安全吊的一階縱向振動(dòng)頻率為109 Hz，如圖5所示，非常接近試驗(yàn)車測(cè)試到安全吊縱向振動(dòng)加速度頻率的97 Hz，說(shuō)明很有可能就是外界作用力導(dǎo)致安全吊發(fā)生共振，從而發(fā)生疲勞斷裂。將原來(lái)的Q235A材料的鋼材改為碳纖維材料，最低階的振動(dòng)頻率還是一階縱向振動(dòng)的頻率，但是此振型的頻率卻為148 Hz，也遠(yuǎn)高于原安全吊的109 Hz以及實(shí)測(cè)的97 Hz，如圖6所示。

圖5 鋼材料安全吊一階模態(tài)

圖6 碳纖維材料安全吊一階模態(tài)

2.2 疲勞壽命分析

通過(guò)采用ANSYS軟件的疲勞分析模塊對(duì)搖枕安全吊及吊座進(jìn)行振動(dòng)疲勞壽命分析，計(jì)算疲勞壽命，如圖7、圖8所示。

圖7 鋼材料應(yīng)力云圖

圖8 碳纖維材料應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，在相同結(jié)構(gòu)情況下，將原來(lái)的Q235A材料換成碳纖維材料后，該安全吊及吊座的疲勞壽命得到了很大的提升。

表3 安全吊的疲勞壽命對(duì)比表

3 碳纖維安全吊試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 安裝孔拉伸試驗(yàn)

為了驗(yàn)證安裝孔的強(qiáng)度，通過(guò)制作樣件，進(jìn)行安裝孔的拉力試驗(yàn)，試驗(yàn)樣件在安裝孔部位的結(jié)構(gòu)、尺寸和實(shí)物完全一致，試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 碳纖維安全吊安裝孔拉力試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，當(dāng)拉伸載荷到4.8 t時(shí)，安裝孔部位碳纖維出現(xiàn)塑性變形，換算成整個(gè)安全吊，能承受的載荷為9.6 t。結(jié)果表明在搖枕托梁故障脫落時(shí)碳纖維安全吊能承受住彈簧托梁、搖枕的質(zhì)量，起到安全保護(hù)作用。

圖10 安裝孔拉力試驗(yàn)結(jié)果

3.2 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

為了驗(yàn)證碳纖維安全吊在實(shí)際運(yùn)用中的強(qiáng)度，參考標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373-2010，對(duì)碳纖維安全吊進(jìn)行了振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)［4］，如圖11所示。

圖11 碳纖維安全吊振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

3.2.1 模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)

模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)的2類進(jìn)行，垂向、縱向、橫向分別進(jìn)行7.5 h（按照壽命30年，每年運(yùn)行30萬(wàn)km，速度80 km/h計(jì)算）。

3.2.2 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)分垂向、橫向和縱向3個(gè)方向。對(duì)安全吊施加一系列持續(xù)時(shí)間D為18 ms，峰值A(chǔ)為300 m/s2的單個(gè)半正弦脈沖，每個(gè)方向正反分別為3次，共18次。

模擬長(zhǎng)壽命和沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，安全吊未產(chǎn)生裂紋和機(jī)械損傷，安裝螺栓未松動(dòng)，表明碳纖維安全吊在車輛運(yùn)行過(guò)程中能滿足隨機(jī)振動(dòng)及沖擊的要求，結(jié)構(gòu)可靠。

3.3 線路動(dòng)應(yīng)力測(cè)試

為了測(cè)試碳纖維安全吊在裝車運(yùn)用中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，以評(píng)估其運(yùn)用狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)可靠性，對(duì)碳纖維安全吊進(jìn)行了線路動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，由于安全吊故障主要為安全吊座斷裂，所以測(cè)試時(shí)重點(diǎn)對(duì)安全吊座進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試，并在同一輛轉(zhuǎn)向架兩側(cè)，分別安裝碳鋼和碳纖維安全吊進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示，測(cè)試數(shù)據(jù)采集里程約2 000 km。

圖12 碳纖維安全吊線路動(dòng)應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)圖（部分）

測(cè)試結(jié)果表明安裝碳纖維安全吊的吊座（鍛件）最大等效應(yīng)力幅為36.2 MPa。測(cè)點(diǎn)3-10，位于吊座與構(gòu)架焊縫處，小于疲勞許用應(yīng)力70 MPa，滿足1 200萬(wàn)km使用要求，碳纖維安全吊測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)變幅為84.6 με。測(cè)點(diǎn)2-12，位于碳纖維安全吊折彎處，由于碳纖維材料是各向異性，彈性模量選擇纖維方向230 GPa計(jì)算時(shí)，等效應(yīng)力幅值19.4 MPa，按纖維法向15 GPa計(jì)算時(shí)，等效應(yīng)力幅值更小，由于碳纖維復(fù)合材料的疲勞性能和纖維及樹(shù)脂有關(guān)，該碳纖維安全吊采用T300級(jí)碳纖維，基體采用高性能環(huán)氧樹(shù)脂材料，制成的碳纖維復(fù)合材料安全吊的疲勞性能要優(yōu)于鋼材質(zhì)，所以碳纖維安全吊本身疲勞強(qiáng)度滿足運(yùn)用要求。通過(guò)和原鋼材質(zhì)安全吊對(duì)比，采用碳纖維材料安全吊的安裝吊座（鍛件）等效應(yīng)力幅值要小于鋼材質(zhì)的安全吊座。

4 裝車應(yīng)用

根據(jù)《中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局關(guān)于客車209系列轉(zhuǎn)向架碳纖維安全吊裝車運(yùn)用考核的通知》（運(yùn)輛客車電［2016］1931號(hào)）要求，2016年10月起，陸續(xù)完成了總計(jì)95輛新造運(yùn)用車的裝車運(yùn)用考核，裝車運(yùn)用狀態(tài)如圖13所示。經(jīng)過(guò)3年多的運(yùn)用考核，最高運(yùn)用里程已達(dá)150萬(wàn)km，運(yùn)用狀態(tài)良好，目前該碳纖維安全吊已陸續(xù)在運(yùn)用車上批量裝車運(yùn)用。

圖13 碳纖維安全吊裝車運(yùn)用考核

5 總結(jié)

文中通過(guò)分析安全吊及吊座斷裂的原因，提出了采用新型碳纖維材料的安全吊結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證、線路測(cè)試及裝車運(yùn)用考核，采用碳纖維材料的安全吊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，很好地解決了原鋼質(zhì)安全吊及吊座斷裂的問(wèn)題，也為其他轉(zhuǎn)向架安全吊或者類似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。