機(jī)車轉(zhuǎn)向架牽引裝置對(duì)比研究

曾艷梅， 高升輝， 喻佳文

（南車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412001）

0 引言

機(jī)車轉(zhuǎn)向架牽引裝置是連接轉(zhuǎn)向架與車體的重要部件，傳遞輪軌間相互作用產(chǎn)生的牽引力和制動(dòng)裝置產(chǎn)生的制動(dòng)力。牽引裝置既要保證機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)不對(duì)轉(zhuǎn)向架與車體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成干涉，同時(shí)也要適應(yīng)機(jī)車曲線通過時(shí)車體相對(duì)轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)角。

1 兩種不同的牽引裝置結(jié)構(gòu)

牽引裝置（一）主要由牽引桿1、牽引桿2、三角撐桿3和銷軸4等組成，如圖1所示。牽引桿1水平布置在牽引電機(jī)下方，兩端通過銷軸分別與構(gòu)架牽引梁和三角撐桿相連；牽引桿2為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，呈傾斜狀態(tài)，連接車體牽引座的一端高于連接三角撐桿的一端，牽引桿2兩端裝有橡膠關(guān)節(jié)以適應(yīng)機(jī)車車體與轉(zhuǎn)向架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)起到吸振降噪的作用；三角撐桿通過兩支座吊掛在構(gòu)架前端梁上。

圖1 機(jī)車轉(zhuǎn)向架牽引裝置（一）

牽引裝置（二）主要由單牽引桿和壓裝在牽引桿端部的橡膠關(guān)節(jié)組成。牽引桿采用箱形焊接結(jié)構(gòu)，并在梁體中間布置有筋板以獲得足夠的強(qiáng)度和剛度。為了降低牽引點(diǎn)的高度以獲得較高的黏著重量利用率，牽引桿從牽引電機(jī)下部通過，同時(shí)為了保證機(jī)車運(yùn)行時(shí)牽引裝置與牽引電機(jī)之間有足夠的間隙，牽引桿采用折彎的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 機(jī)車轉(zhuǎn)向架牽引裝置（二）

2 牽引裝置強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析

利用ANSYS軟件分別建立有限元分析模型，并采用相同的載荷條件，即牽引裝置在承受轉(zhuǎn)向架5g載荷沖擊下，對(duì)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.1 牽引裝置（一）強(qiáng)度分析

三角撐桿由撐桿及三角撐桿體兩部分組焊而成，撐桿由16MnDR鍛造而成，三角撐桿體則由ZG20SiMn鑄造而成，其性能指標(biāo)見表1，應(yīng)力云圖如圖3。

表1 三角撐桿的機(jī)械性能 MPa

圖3 三角撐桿有限元分析

由圖3可知，三角撐桿計(jì)算最大應(yīng)力為476 MPa，滿足材料抗拉強(qiáng)度極限。

牽引桿1和牽引桿2都采用鍛件，材料為42CrMo，其性能指標(biāo)見表2，應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示。

表2 42CrMo機(jī)械性能MPa

由圖4和圖5可知，牽引桿1計(jì)算最大應(yīng)力為641 MPa，牽引桿2計(jì)算最大應(yīng)力為496 MPa，因此，牽引桿1和牽引桿2都滿足材料抗拉極限強(qiáng)度。

車體牽引座采用鍛件，材料為C級(jí)鋼，其性能指標(biāo)見表3，應(yīng)力云圖如圖6。

圖4 牽引桿1有限元分析

圖5 牽引桿2有限元分析

表3 C級(jí)鋼機(jī)械性能MPa

圖6 車體牽引座有限元分析

由圖6可知，車體牽引座計(jì)算最大應(yīng)力為568MPa，滿足材料抗拉極限強(qiáng)度。

2.2 牽引裝置（二）強(qiáng)度分析

單牽引桿全部由16MnDR鋼板組焊而成。根據(jù)GB 3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》、《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》以及國際焊接學(xué)會(huì)《焊接接頭與部件的疲勞設(shè)計(jì)》，其材料的機(jī)械性能見表4，應(yīng)力云圖如圖7。

表416MnDR的機(jī)械性能 MPa

圖7 單牽引桿有限元分析

由圖7可知，單牽引桿計(jì)算最大應(yīng)力為356 MPa，滿足材料抗拉極限強(qiáng)度。

2.3 牽引裝置（一）穩(wěn)定性分析

牽引桿的兩端裝有關(guān)節(jié)，為了安全，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)將牽引桿兩端定位方式簡化為鉸支結(jié)構(gòu)，其壓桿失穩(wěn)的臨界載荷計(jì)算式為

式中：Pcr為壓桿失穩(wěn)臨界載荷；L為壓桿兩端鉸支點(diǎn)的中心距；Ix為截面慣性矩；E為材料彈性模量。

計(jì)算得出牽引桿的臨界載荷Pcr1=2 343 kN，Pcr2=2 912 kN。每轉(zhuǎn)向架的啟動(dòng)牽引力Fqql=285 kN。每轉(zhuǎn)向架的最大沖擊力（5g）為 Fcj=5×30×9.81=1 471.5 kN。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，牽引桿1和牽引桿2的失穩(wěn)臨界載荷大于其承擔(dān)的最大沖擊載荷1 471.5 kN，因此牽引桿1和牽引桿2是穩(wěn)定的。

2.4 牽引裝置（二）穩(wěn)定性分析

如圖8所示，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)將牽引桿兩端定位方式同樣簡化為鉸支結(jié)構(gòu)，在受到軸向力F作用時(shí)，還受到橫向力Q的作用。

圖8 牽引桿受力分析圖

單牽引桿橫截面的最小慣性矩：

單牽引桿橫截面面積

轉(zhuǎn)向架5g沖擊下，單牽引桿受力情況如下：

軸向力 F=5Mbg×cosβ=5×29 850×9.81×cos1.5°=1 463.64 kN；

橫向力 Q=5Mbg×sinβ+5Mbg×cosβ×tanα=5×29 850×9.81×sin1.5°+5×29 850×9.81×cos1.5°×tan1.7°=81.77 kN。

根據(jù)《材料力學(xué)》［4］可知：

單牽引桿中最大應(yīng)力為σmax=F/A+Mmax/W=1.79×108Pa；

單牽引桿所受最大壓力為 Pmax=σmax×A=1.79×108×8.19×10-3×10-3=1 463.64 kN；

可用歐拉公式計(jì)算該牽引桿的臨界壓力，其失穩(wěn)臨界壓力為Pcr=π2EI/（μL）2=3.141 592×2.1×1011×1.79×10-5÷［（1×3.559）2×103］=2 934.37 kN。

綜上所述，牽引桿在轉(zhuǎn)向架5g工況下穩(wěn)定性安全系數(shù)為

因此單牽引桿滿足壓桿穩(wěn)定性要求。

3結(jié)語

文中兩種牽引裝置其車體端和構(gòu)架端具有相同的高度，結(jié)構(gòu)上存在差異，經(jīng)過計(jì)算可知，兩種牽引裝置其強(qiáng)度和穩(wěn)定性都滿足要求。因結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致兩種牽引裝置名義牽引點(diǎn)高度不同，因而機(jī)車黏著重量利用率各異，且牽引裝置（一）的黏著重量利用率要高于牽引裝置（二），但后者結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)和制造成本低，維護(hù)方便。總之，從機(jī)車黏著重量利用率的角度出發(fā)，建議采用低牽引點(diǎn)高度的牽引裝置（一），只有在滿足機(jī)車黏著重量利用率的前提下，才選用牽引裝置（二）的結(jié)構(gòu)。

［1］ 陳清明，陳喜紅，周建斌，等.HXD1B型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2011，34（4）：4-8.

［2］ 鄒文輝，陳國勝，周建斌.大功率客運(yùn)機(jī)車輪對(duì)結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點(diǎn)［J［.鐵道機(jī)車車輛，2011，31（1）：82-85.

［3［ 曾艷梅，陶功安，羅華軍.ZMA120型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2010，33（1）：14-17.

［4］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.3版.北京：高等教育出版社，1992.