動車組風缸吊帶結構更改的研究

朱立強，郭小行，劉中華

(唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心，河北唐山063035)

動車組風缸吊帶結構更改的研究

朱立強，郭小行，劉中華

(唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心，河北唐山063035)

動車組的風缸吊帶及吊卡的穩定關乎到列車的安全以及正常的運營秩序，因此針對武廣線發生的風缸吊帶及吊卡的斷裂情況展開了大量的研究，提出了4種更改方案，做了校核計算并且做了動應力測試，確定了較優方案。

風缸吊帶;吊卡;疲勞斷裂;動應力

2010年7月在廣州售后服務站，售后工作人員做動車組例行入庫檢驗，當檢查到風缸模塊時發現了一起廢排風缸吊帶斷裂的事件，制動缸風缸吊帶從風缸上部位置處發生斷裂，制動缸風缸吊卡也出現了裂紋。隨后對多列車進行了檢查，檢查中又發現多起風缸吊帶出現裂紋或斷裂的情況，且幾乎所有吊卡裂紋或斷裂位置均發生在吊卡折彎處根部或者折彎處附近。

風缸吊帶是固定風缸的重要部件，它的斷裂將會導致風缸脫落，從而造成列車緊急制動停車，影響列車的運營秩序，甚至會造成車毀人亡的危險。故對此問題我們進行了詳細研究。首先，組織售后服務中心對所有運營車輛進行普查，結果發現吊卡和吊帶出現裂紋或斷裂的動車組共有20列，全部發生在武廣線運營的動車組上，京津線和滬寧線尚未發現該問題。吊卡和吊帶發生裂紋或斷裂的動車組數量占武廣線所有運營動車組總數(總共40列)的50%，具體如圖1所示。

圖1 問題列車裂紋或斷裂數量統計

吊卡和吊帶發生裂紋時列車運營里程基本在30萬km左右，且主要集中在TC02、TC07車和IC03、IC06車，其中TC02、TC07車約占出現問題總數的30%，而IC03、IC06車約占出現問題總數的70%，TC02、TC07車和IC03、IC06車風缸模塊結構相同，均是由2個125 dm3的風缸和1個100 dm3的風缸組成，且100 dm3風缸位于外側，發生裂紋及斷裂的吊帶均位于該風缸上。

1 風缸吊卡裂紋發生原因分析

CRH3動車組制動風缸單元在運營過程中主要受到振動沖擊和空氣動力學載荷影響，振動沖擊和空氣動力學載荷都直接作用在制動風缸上，如圖2所示。

圖2 制動風缸單元承受載荷示意圖

從受力特點上來講，動車組過隧道及在隧道內交會時，車體側面承受較大的交變空氣動力學載荷作用(±6 kPa)，使得車體橫向左右擺動，而制動風缸是通過吊卡和吊帶固定在制動風缸吊架上，當車體橫向擺動時，制動風缸吊架將隨車體一起擺動，而制動風缸則是通過固定在制動風缸吊架上的吊帶和吊卡帶動其橫向擺動，因而存在動作滯后現象，在車體橫向擺動的過程中制動風缸與吊卡和吊帶的連接處將承受這種不協調的作用力;另外吊卡在吊卡與吊帶連接處為壓彎部位，吊卡材質為不銹鋼材質，壓彎后沒有經過熱處理等工藝處理，因而該部位存在殘余應力現象，是整個吊卡中的薄弱環節，該部位承受橫向沖擊疲勞載荷下將最先出現裂紋，甚至斷裂。

由此可知造成吊卡和吊帶產生裂紋或斷裂的主要因素是動車組過隧道及在隧道內交會時風缸承受的空氣動力學載荷，由于京津線和滬寧線基本沒有隧道，因此沒有出現風缸吊帶斷裂的情況。

2 風缸吊帶優化方案設計及仿真計算分析

風缸吊帶作為固定風缸的重要部件，它的斷裂將會導致風缸脫落，對列車的運營安全有重要的影響，因此，對風缸吊帶的結構展開了研究并提出解決方案。

2.1 技術路線

通過結構優化設計方法，得到如圖3所示的結構優化設計流程:

圖3 結構優化設計流程

為了解決風缸吊卡及吊帶斷裂的情況，先后設計了4種方案并參考EN 12663標準《鐵路車輛車體結構要求》進行了各種工況下的有限元分析計算。

2.2 優化方案1

在原方案(吊帶穿過吊座，在風缸下方緊固)的基礎上，為了消除吊帶的應力集中，對吊帶方式進行了更改，將原來的風缸吊帶緊固方式由在風缸下方緊固改成采用U型吊帶，在風缸的上方吊架處緊固。對該方案進行了有限元分析計算，結果表明最高應力數值相對于原始結構下降較明顯。該結構雖消除了應力集中現象，但是不便于風缸拆解，給維護工作帶來了困難。

2.3 優化方案2

由于前1種方案不便于風缸拆解，設計了第2種方案即支架連接固定方案，將風缸的吊裝方式改為拖裝方式，該方案通過8個螺栓連接將風缸上下像夾鉗一樣夾住，并在廢排單元下部進行固定。對該方案進行了有限元分析計算，結果該結構廢排支架焊縫根部及螺栓孔邊緣應力較大。

2.4 優化方案3

在方案1的基礎上提出了第3種方案:U型吊帶+支架固定，該方案是把原來的吊帶改為U型吊帶，同時加裝了支撐梁，并對該方案進行了計算，最高應力點位置由吊卡筋板轉移至吊卡螺栓孔，導致吊卡應力增大。此方案在公司內現車上進行了試裝，但由于下部為虛支撐結構，如果安裝不當，容易造成上部風缸吊帶產生安裝應力。

2.5 優化方案4

為了減小風缸吊帶受橫向載荷的影響，以及方便操作及節約成本，在風缸吊帶下部增加連接機構，故提出了方案4，該結構是在原來吊帶螺栓上加裝拉桿，將拉桿穿過支撐梁上，兩邊用螺母固定，使得風缸不再來回擺動。對該方案進行了有限元分析計算。

計算載荷及計算工況如表1所示。

表1 計算載荷及計算工況

通過優化結構，可以得出以下結論:

(1)在工況1～4下，吊卡的最大應力分別由108.5，60.6，115.0，205.5 MPa降低至 76.6，18.7，77.1，122.8 MPa，分別降低了29.4%，69.1%，33.0%，40.2%。通過優化結構使吊卡在工況1～4下的最大應力明顯降低。相應結果如表2所示。

表2 吊卡應力優化數值表

(2)由于更改結構后，改變了力的傳遞路徑，使風缸吊帶的應力增大較明顯，在工況1～4下最大應力值由27.9，10.1，22.2，48.6，0.46 MPa增大至33.9，22.3，120.5，132.6，81.4 MPa。相應結果如表3所示。

表3 吊帶應力優化數值表

(3)通過對比原結構和優化后方案的計算結果，可以看出:

吊卡應力:在上述4種工況下，優化后方案吊卡上最大應力較原結構有所降低;對吊卡的壽命延長有利。

吊帶應力:與原結構相比，優化后方案更改結構后，由于改變了力的傳遞路徑，在上述4種工況下，使風缸吊帶的最大應力較原方案均有明顯增大。

結果表明該結構吊卡下應力情況得到了很大改善，可以有效的減少吊卡的應力，提高吊卡的壽命。由于吊帶采用柔性結構，應力的增加對吊帶的影響較小，故整體結構強度有所增加，基本達到了改進的目的。

3 優化方案線路動應力試驗

從結構工藝實現難易角度及現場更改難易程度上進行分析考慮，通過方案對比篩選，最終選擇了優化方案4，對原來的方案和優化方案4均進行了線路動應力測試。通過相應分析結果確定測點布置，主要測點分布在風缸吊座中吊帶穿過的部位、風缸吊帶與吊座接觸的部位、支撐梁等。

為了對結構疲勞可靠性進行評估，研究采用國際上通用的雨流計數法進行應力狀態的循環計數處理，并分別編制了上述各大應力測點的應力譜。對于車輛結構而言，通常取8級應力譜便可足夠可靠地反映實際的動應力歷程。

依據8級應力譜，等效應力計算采用Miner線性疲勞累計損傷法則和NASA針對變幅加載條件所推薦的S－N曲線形式計算等效應力幅，采用這一方法可使各級應力水平產生的損傷均得到合理的考慮。計算時按照式(1)進行。其中L是列車總運營里程;L1是試驗測試里程，L1= 8 141 km，σ－lai表示應力幅值MPa;N表示疲勞壽命的循環次數。

計算等效應力時鋁合金焊接材料的材料常數m= 3，疲勞循環次數選1 000萬次;此外，風缸吊帶的材料為不銹鋼，測點為母材，故選取材料常熟m=6.5，疲勞循環次數選1 000萬次。

各測試應力最值如下:7車(原結構)全程等效應力值應力值如表4所示，7車(優化后結構)全程等效應力值如表5所示。

表4 7車測點全程應力值(原結構) MPa

表5 7車測點全程應力值(優化后結構) MPa

通過對原結構和優化后方案的測試結果分析，風缸新增加的橫梁端頭焊縫最大等效應力為8.61 MPa，風缸吊卡最大等效應力為12.88 MPa，該部位的等效應力與原結構測試結果相比，下降約86%。根據北京交通大學的建議，該方案可行。

4 結束語

經過以上方案的對比分析，第4種方案即原結構基礎上增加橫向固定方案，對風缸吊帶及吊座的受力情況有明顯的改善，而且更改方便快捷、成本最低。目前公司生產的CRH3C、CRH380BL、CRH380－002型動車組的風缸結構均已經更改完畢，最長的已經運行了將近3年，尚未發現風缸吊卡和吊帶產生裂紋及斷裂的情況，實際運用結果證明該方案比較合理，達到了預期的目標。

參考文獻

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Investigation of High-speed EMU Reservoir Gallus Improving

ZHU Liqiang，GUO Xiaohang，LIU Zhonghua
(R＆D Center Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China)

The stability of air reservoir＇s hinge band and hinge console clamp of EMU is very related to the safety and normal operation order of the EMU，Aiming at the circumstance of Wu Han-GuangZhou High-speed Railways，doing a lot of research for the air reservoir＇s hinge band and hinge console clamp＇s fatigue fracture has been done.This paper puts forward four kinds of change plan，and the author has done the check calculation and the dynamic stress tests to determine the optimal scheme.

wind cylinder condole;lift sub;fatigue fracture;dynamic stress

U266.2.331+7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.22

1008－7842(2015)02－0090－04

2—)男，工程師(

2014－10－17)