軌道車輛用抗側滾扭桿系統試驗研究

彭立群,林達文,王 進,陳 剛,吳興磊,余 琪

(株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

隨著我國軌道交通業的快速發展,高速、安全、舒適已經成為軌道車輛設計制造的發展趨勢。抗側滾扭桿系統(簡稱扭桿系統)與空氣彈簧組合運用于軌道車輛二系懸掛系統,使得車輛的安全性、舒適度有了很大提高。根據實際運行工況,設計了合理的試驗裝置,針對上述扭桿系統進行了大量的力學性能試驗,主要試驗項目包括整體剛度、彈性、靜態極限、常規疲勞、強化疲勞試驗,總結出一套比較合理的試驗方法和數據處理方法,結合實際對有關數據和試驗原理進行了重點分析,從而對開發其他型號扭桿系統起指導作用。

1 產品結構及實際安裝

扭桿系統主要由扭桿軸、扭轉臂、連桿、支撐座、橡膠件組成,按生產工藝可分為熱套過盈連接型和花鍵連接型兩大類,按外型可分為支撐座內置型和外置型兩大類,見圖1,安裝在車輛車體上,通過連桿與轉向架連接,同時與空氣彈簧配合使用,克服空氣彈簧垂向剛度少導致側滾角增加的缺點,約束車輛車體相對于轉向架的側滾,提高車輛運行的安全性和舒適度,見圖2。

圖1 扭桿系統仿真模型

2 產品性能試驗

2.1 試驗設備及裝置

整體剛度試驗、彈性試驗、靜態極限試驗均在12通道組合加載試驗系統(通道10)上進行,常規疲勞試驗在機械式抗側滾扭桿疲勞試驗機上進行,強化疲勞試驗在12通道組加載試驗系統(通道10和通道11)組合進行,所有試驗裝置均采用數字化三維仿真設計(自制)。

圖2 扭桿系統安裝位置示意圖

2.2 試驗環境溫度要求

扭桿軸與扭轉臂裝配完后需在(23±2)℃下停放24 h,試驗環境溫度為室溫。

2.3 整體剛度試驗

整體剛度試驗主要是驗證扭桿系統中主要受力件扭桿軸的剛度特性,由于車體相對轉向架的側滾載荷(常規為±40 kN)通過連桿傳遞給扭轉臂,從而使扭桿軸產生扭轉變形,因此扭桿軸必須要有足夠的彈性極限來滿足扭轉變形,保證車輛運行安全(圖3)。

圖3 整體剛度試驗原理圖

(1)試驗安裝

將產品扭桿軸兩端的支撐座通過T型螺栓固定在試驗機平臺上,扭轉臂一端固定,另一端通過連桿與試驗機加載油缸連接。試驗前載荷調零,同時讓兩扭轉臂保持水平位置,見圖4。

圖4 扭桿系統剛度試驗仿真設計與安裝圖

(2)試驗方法

預加載:首先對產品一端施加載荷±40 kN,頻率0.05 Hz,連續加載3次,間隔5 min,正式加載一次,記錄載荷—變形曲線,按公式(1)計算整體剛度C。

(3)數據處理

計算公式(1)

40～0 kN間的剛度k2=(F40-F0)/(S40-S0),

剛度系數k=(k1+k2+k3+k4)/4,

整體剛度C=kL2,其中扭桿軸長L=1 m。

圖5 整體剛度載荷-變形曲線圖

(4)數據分析

將圖5整體剛度曲線做趨勢線,得出k=Y=2.34X+3.22,則整體剛度C=kL2=2.34 MN?m/rad。按計算公式(1)對試驗數據進行計算,得出整體剛度C=2.42 MN?m/rad,表1通過比較分析,兩種計算方法得出的結果相差0.08,說明兩種計算得出的結果誤差很少。由于目前扭桿系統尚未統一試驗標準,均引用法國標準SNCF358-A—1997《動車和拖車用扭桿供貨技術規范》和行業標準TB/T 2843—2007《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術條件》、企業標準Q/CSR 005.1—2005《機車車輛減振橡膠件靜態性能試驗》。

表1 整體剛度試驗數據

扭桿系統是一種金屬橡膠裝配而成的系統部件,其扭桿軸具有較高的彈性極限和疲勞強度,一般采用新型軸用鋼50CrVE,故剛度特性呈線性,單點切點剛度和兩點區間剛度一致。

試驗主要受力件扭桿軸是一種經過特殊工藝處理的金屬材料,故在正式試驗前,必須對其進行常規載荷(3～5)次預加載,加載頻率≤0.05 Hz,以消除產品內應力。有研究證明,通過3次以上預加載的試驗結果基本穩定。

剛度曲線不對稱,是因為在試驗加載過程中首先對產品施加0～40 kN拉伸載荷,卸載后再施加0～-40 kN壓縮載荷,產品內應力調節所導致,所以通常是取4個區間平均值為剛度系數。

2.4 彈性試驗

(1)試驗安裝

按圖4將產品一端扭轉臂固定,在另一端扭轉臂加載中心位置放置一百分表(表針放置在扭轉臂上,表座固定于試驗機平臺),然后試驗載荷和百分表同時調零。

(2)試驗方法

對產品一端施加載荷,使扭桿軸扭轉至規定角度12°,并在此狀態下保壓3 min后卸載,讀取百分表顯示值,要求扭桿軸試驗前后永久變形≤10′。

(3)試驗結果

卸載后扭桿軸恢復到自由狀態,通過計算扭桿軸試驗前后的永久變形為8′。

(4)數據分析

彈性是扭轉軸吸收能量和釋放能量的重要參數。因在使用過程中扭桿軸會受到周期性的彎矩、扭轉等交變應力,同時還有振動和沖擊載荷,扭桿軸就是利用彈性變形來吸收和釋放能量來保證車輛過彎道或道岔。對于其永久變形在法國鐵路標準SNCF358-A—1997有明確規定,扭桿軸試驗前后的永久變形≤10′;而試驗結果為8′,驗證了該型號扭桿系統具有高的彈性極限,能抵抗各種彎矩、扭轉等交變應力和沖擊載荷。

2.5 靜態極限試驗

(1)試驗方法

預加載:首先對產品一端施加±59 kN,頻率0.05 Hz,連續加載3次,間隔 5 min。正式加載:對產品一端施加90 kN,頻率0.05 Hz,加載 1次,保持 1 min,記錄極限載荷—變形曲線(圖6)。

圖6 極限試驗載荷—變形曲線圖

(2)試驗結果

完成極限試驗后,經檢查扭桿軸與扭轉臂未產生滑移,無其他異常現象。

2.6 疲勞試驗

(1)常規疲勞試驗

常規疲勞試驗是采用一種曲柄連桿機構的機械式疲勞試驗機進行試驗(圖7)。

表2 常規疲勞試驗條件

圖7 常規疲勞試驗仿真設計與安裝圖

按表2完成常規疲勞試驗后,經檢查扭桿系統扭桿軸無裂紋,無其他異常現象。

(2)強化疲勞試驗(圖8)

強化疲勞試驗是針對通過了常規疲勞試驗的扭桿系統進行條件更為惡劣的疲勞測試,進一步驗證扭桿系統的設計可靠性,提高安全系數。國內由于受試驗設備、試驗裝置的影響很少對扭桿系統進行強化疲勞試驗。通過設計一套合理的試驗裝置和試驗方案,利用12通道組合加載試驗系統完成了這一試驗。

①試驗方案及試驗條件

產品要求加載±120 mm,頻率 1 Hz,循環加載10 000次。

本試驗方案采用12通道組加載試驗系統(通道10和通道11)進行組合,進行同頻率、相位差180°協調加載,即通道10向下壓縮120 mm時,通道11向上拉伸120 mm,頻率1 Hz,如此反復交替加載,循環10 000次。試驗過程中產品溫升≤10℃。

圖8 強化疲勞試驗仿真設計與安裝圖

②試驗結果

完成強化疲勞試驗后,經檢查扭桿系統扭桿軸無裂紋,無其他異常現象。

(3)結果分析

疲勞試驗是驗證產品耐久性的重要手段。而導致產品失效的主要原因是加載頻率和振幅值,這與產品實際使用工況有很大關系,例如廣州地鐵3號線線路全程共有22處半徑少于2 000 m的曲線。一列地鐵每天來回需運行6趟(單程12趟)。正確地將實際路況轉換成疲勞試驗條件,有利于降低試驗成本,從而反映出產品的真正使用壽命。

我們正在研究將實際線路譜條件導入計算機來進行疲勞試驗,這樣可以正確驗證產品的可靠性和疲勞壽命。

3 結束語

通過對扭桿系統主要性能進行試驗,現已總結出一套合理的試驗方法和數據處理方法,可以對其他類型扭桿系統的開發起指導作用。

試驗方法是影響試驗參數測定的關鍵因素,如何統一試驗方法,制定統一的扭桿系統試驗標準,是值得深入研究的課題。

通過以上試驗,驗證了抗側滾桿系統具有較好的力學性能,是國內外軌道交通領域系統減振部件的優選。

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