北京地鐵某B型車抗側滾扭桿裝置研制

王亞平 杜方孟 羅 斌 孫 偉 劉文松 程海濤 路 廣

(1.株洲時代新材料科技股份有限公司，510640，株洲;2.南車四方車輛有限公司，266000，青島∥第一作者，工程師)

地鐵B型車輛具有造價低、運營靈活等特點，在較多城市得到廣泛運用。為保證通過小半徑曲線的安全性，該型車輛普遍采用抗側滾扭桿裝置。株洲時代新材料科技股份有限公司受客戶委托，負責北京地鐵某B型車扭桿產品的開發，已用于北京地鐵房山線、15號線以及6號線的B型車輛。安裝在北京地鐵房山線B型車輛上的抗側滾扭桿裝置如圖1所示。

1 技術要求及運營環境

扭桿裝置與轉向架、車體之間的安裝及接口尺寸要求見圖2。北京地鐵某B型車的性能要求及運營環境見表1所示。

圖1 安裝在北京地鐵房山線車輛上的抗側滾扭桿裝置

圖2 北京地鐵某B型車扭桿接口尺寸要求

表1 北京地鐵某B型車的扭桿性能要求及運營環境

2 設計方案

2.1 方案結構

針對北京地鐵某B型車輛的技術要求，選用了內置式的扭桿結構(見圖3)。此種結構的扭桿支撐座組件通過螺栓固定在轉向架構架下端面，左右兩端的豎向連桿置于構架的外側。

圖3 扭桿結構

扭桿支撐座采用了上下支撐座加層狀支撐橡膠(見圖4)的形式。在車體側滾扭桿軸扭轉時，層狀支撐橡膠可通過其自身的扭轉變形適應扭桿軸的扭轉運動。豎向連桿的上端采用橡膠節點，下端采用國外進口的金屬關節軸承。其優點在于:金屬關節軸承的運動自由度較大，可適應車體側滾時連桿下端節點產生的偏移、旋轉組合的復雜運動狀態。

圖4 層狀支撐橡膠

由于車體構架的空間所限，為了避免在車體側滾時扭桿的運動與構架其它部件發生運動干涉的情況，連桿下端的橫向空間需≤120 mm。因此，連接扭轉臂和連桿中金屬關節的錐銷采用了創新式的穿孔結構，M20的法蘭面螺栓通過擰入錐銷中的螺紋孔以固定錐銷并連接扭轉臂(如圖5)。這種結構將大大節約抗側滾扭桿裝置的安裝和運動空間。

圖5 連桿和扭轉臂的錐銷連接

2.2 工藝方案

零部件的選材借鑒以往項目經驗［1］，扭桿軸材料采用EN 10089中的52CrMoV4彈簧鋼。這種鋼材具有高強度、高彈性的特點，已廣泛應用于歐洲軌道交通車輛的扭桿中，端部鐓粗后進行加工。扭轉臂和豎向連桿采用模具鍛造毛坯后再機加工的方式，因上下支撐座應力相對較低，故采用D級鋼的鑄造毛坯。

2.3 計算分析

抗側滾扭桿裝置的剛度是指在車體側滾時，扭桿提供的阻力矩與車體側滾角的比值。如當車體側滾角為α時，設豎直連桿上的作用力為N，則扭桿裝置對車體作用的力矩Tz為:

則扭桿裝置對于車體的扭轉剛度M2為:

其中扭桿軸的結構是決定扭桿裝置剛度最主要的因素［2］。當扭桿軸的扭轉剛度為M1時，扭桿裝置的剛度計算為:

式中:

L1——扭桿裝置的連桿跨距，L1=2 466 mm;

L2——扭轉臂的中心孔距，L2=180 mm。

M1由扭桿軸的布局決定，對于結構確定的扭桿軸，M1是其固有屬性。

式中:

G——扭桿軸材料的抗剪彈性模量;

IPi——某一截面的抗扭截面系數;

li——同一直徑的軸長。

扭桿軸結構如圖6所示。經計算扭桿裝置的M2=1.81 MN·m/rad，已滿足客戶要求。

圖6 扭桿軸結構示意圖

2.4 強度校核

應用有限元分析的方法對扭桿的強度進行校核，將扭桿的結構以及載荷情況輸入到ABAQUS 6.9有限元分析軟件中，可得到各零件的應力載荷情況。以極限載荷±15 kN為例，此時扭桿的應力云圖如圖7所示。

圖7 極限載荷±15 kN時扭桿的應力云圖

扭桿的最大應力出現在扭桿軸的圓弧過渡區域，最大的應力達到了318 MPa(見表2)。經分析可知，扭桿零部件選材的強度均滿足疲勞載荷的要求，且均有約3倍的安全系數。

表2 在±15 kN疲勞載荷條件下的各零部件的應力狀況

3 生產制造的關鍵過程控制

對于扭桿軸，其檢測項點主要包括化學成分、機械性能、內部質量(超聲波探傷)、表面缺陷(磁粉探傷)、噴丸質量檢測。由于從原材料加工成扭桿軸的過程中，無影響其內部質量的工序，因此其內部質量的檢測可在原材料上進行。在扭桿軸表面上的噴丸處理，可使得扭桿軸的表面保留殘余壓應力。在其安裝使用時，表面殘余壓應力將可適量降低其應力，從而提高扭桿軸的抗疲勞性能。因此，扭桿軸的質量控制項點中包括了對扭桿軸噴丸強度和覆蓋率的檢測。

扭轉臂和豎向連桿均采用42CrMo的模具鍛造毛坯，再進行機加工，因此其質量控制的項點也類似，除了常規的化學成分、機械性能檢測外，其檢測項點還包括表面缺陷的磁粉探傷檢測和纖維流線檢測。其中，磁粉探傷的檢測，主要是為了避免鐵件產品在鍛造過程中，由于結構或工藝設計的不合理，導致鍛造毛坯表面產生肉眼無法觀察的微觀裂紋。這些微觀裂紋的存在，將大大降低零件的強度和疲勞壽命，尤其是產品在油漆后表面缺陷無法觀察得到時，零件產品中表面缺陷的存在將導致無法估量的嚴重后果。纖維流線的檢測通常作為參考的檢測項點。在鍛造工藝設計合理的情況下，鍛造毛坯的纖維流線的分布應基本與毛坯輪廓保持一致，如出現紊流情況，則鍛造毛坯的強度和局部硬度將大大降低。

4 對抗側滾扭桿裝置的檢測

扭桿裝置的性能檢測通常包括剛度測試、整體疲勞測試兩項。

剛度測試的主要目的是驗證扭桿裝置的剛度設計是否滿足設計需要。在進行剛度檢測時，利用相應的工裝模擬扭桿裝置的安裝條件，通過十二通道機的液壓裝置在扭桿裝置的豎向連桿上加載載荷，記錄載荷、位移曲線，并通過相關的計算轉換為扭桿裝置的剛度。本項目研制的扭桿裝置經剛度試驗檢測得到的剛度值為1.77 MN·m/rad，與設計剛度和客戶的要求相吻合。

疲勞試驗條件如表3所示。達到循環次數后，對表面進行了磁粉探傷檢查，沒有發現裂紋等異常現象，表明該抗側滾扭桿裝置具有足夠的疲勞壽命。

表3 北京地鐵某B型車輛扭桿疲勞試驗要求

5 抗側滾扭桿裝置的運用情況

已研制成功的該類型抗側滾扭桿裝置在北京地鐵房山線的車輛上開始運用，自2009年試運營以來，已取得了較好的運營業績，沒有發現問題。

［1］ 劉文松，郭春杰.符合法鐵標準的抗側滾扭桿軸的工藝研制［J］.鐵道車輛，2007，7(45):125.