基于TRIZ創新理論的機車轉向架一系軸箱拉桿裝置研究

2017-04-27 16:19:14楊易高升輝朱向陽張沖

科技創新與應用 2017年11期

楊易++高升輝++朱向陽++張沖

摘要：文章介紹了基于TRIZ創新理論的機車轉向架一系軸箱拉桿裝置研究，通過TRIZ理論找到一系軸箱拉桿裝置的各種方案。

關鍵詞：一系軸箱拉桿裝置；TRIZ；系統分析；因果分析；矛盾分析；物場分析

1 概述

TRIZ意譯為發明問題的解決理論，其成功地揭示了創造發明的內在規律和原理。實踐證明，運用TRIZ理論，可大大加快解決問題的進程。下面運用TRIZ對一系軸箱拉桿裝置進行了系統的分析，從而找到解決問題的方案。

一系軸箱拉桿裝置是鐵路機車轉向架中用于連接軸箱體和構架的部件，主要功能是用于提供縱向剛度，附帶提供部分橫向剛度。適宜的剛度是保證機車運行穩定性的關鍵，對機車的動力學性能有決定性的影響。在一些機車項目中為了改善轉向架的橫向性能，大部分通過增加一系彈簧的橫向剛度來提供，但是在一系彈簧垂向剛度一定的情況下，橫向剛度也隨之確定。這時就必須增加軸箱拉桿的橫向剛度，要求一系軸箱拉桿裝置提供較大的橫向剛度，而目前已有技術的一系軸箱拉桿裝置提供的橫向剛度則不足以滿足要求。

2 問題描述

已有技術的一系軸箱拉桿裝置用于連接機車構架、輪對端部的軸箱體，并柔性地傳遞縱向牽引力和制動力，同時提供一定的橫向柔性阻尼力。構架、輪對、兩根軸箱拉桿形成了一個平行四邊形結構的四桿鉸接機構。已有技術的軸箱拉桿主體為一剛性桿體，其兩端各壓裝有一個橡膠關節。通過橡膠的變形，橡膠關節可相對于拉桿體發生偏轉、扭轉、軸向移動、徑向移動。

當輪對相對于構架發生橫向相對移動時，帶動兩個軸箱拉桿繞構架連接點做平行四邊形擺動。軸箱拉桿相對構架連接點偏轉，導致拉桿體相對于兩個橡膠關節偏轉及軸向移動。此時，軸箱拉桿依靠橡膠關節的彈性而具有的橫向回復能力，稱為橫向剛度（由偏轉剛度與軸向剛度合成）。在一般的機車設計中，其值在機車橫向剛度中占比較小。

3 問題分析

3.1 系統分析

針對問題所在，創建組件模型，如圖1所示。

通過組件模型分析，我們描述了系統中的組件都有哪些以及它們之間的相互關系，并得出了導致橫向剛度不足可能的一個功能因素：軸箱拉桿的橫向阻力不足或者橡膠關節的偏轉阻力與橫向阻力不足。

3.2 因果分析

通過因果分析找到問題產生的原因，一層層剖析出問題的根本原因，如圖2所示。

通過因果分析，引起拉桿體和橡膠關節之間連接的橫向阻力不足的根本原因是：軸箱拉桿橫向剛度不足；一系軸箱拉桿裝置橫向穩定性缺乏；一系軸箱拉桿裝置橫向止擋缺乏。

通過因果分析，得到備選方案1：

針對一系軸箱拉桿裝置橫向止擋缺乏，在轉向架側面預先設置彈性的橫向止擋。當拉桿體在橫向力的作用下偏移了一段距離后，橫向止擋開始起作用，防止軸箱拉桿橫向偏移過度。

4 解決工具

4.1 矛盾分析

根據因果分析，取其中一對兒矛盾進行分析。從圖4中可以看出，軸箱拉桿橫向剛度不足的原因是橡膠關節偏轉剛度不足。若通過減薄橡膠厚度等方法直接增加橡膠關節偏轉剛度，則橡膠關節變形減小，結構應力將增大。矛盾中改善的一方是形狀，惡化的一方是應力。通過查找矛盾矩陣，得到4種推薦原理，分別是第10預先作用原理、第14曲面化原理、第15動態特性原理和第34拋棄或再生原理。

通過應用第10號創新原理——預先作用原理，即預先安置物體，使其在最方便的位置原理，得到備選方案2：橡膠關節兩端預置兩段剛度相對較大的彈性塊，當軸箱拉桿偏轉到一定程度時，彈性塊起作用，以提供較大的橫向剛度，如圖3所示。

4.2 物場分析

建立系統的物場模型，可以揭示技術系統的功能機制，描述技術系統中不同元素之間發生的不足的、有害的、過度的和不需要的相互作用，技術系統物場模型如圖4所示。物場模型顯示橡膠關節對拉桿體的作用不足，即拉桿體橫向阻力不足，應用雙系統和多系統的簡化的標準解法，考慮使用一種三角拉桿結構，解決問題的物場模型如圖5所示。

通過增加一個物場，即增加一套橡膠關節，兩套橡膠關節可使橡膠關節對拉桿體產生足夠的作用。從而得到備選方案3，如圖6所示。

5 方案評價

備選方案1：橫向止擋。其優點是限制軸箱拉桿橫移量，相當于提高了一系軸箱拉桿裝置的橫向剛度；其缺點是剛度不連續，易產生沖擊。目前，此種方案得到了廣泛應用，例如機車轉向架中構架上設有垂向和橫向止擋裝置，保證了車體和轉向架之間合理的相對運動量。

備選方案2：預置彈性塊。其優點是能有效提高橡膠關節的偏轉剛度；其缺點是只能有限提高橡膠關節的剛度。目前少有應用。

備選方案3：三角拉桿。其優點是一定程度上直接提高了軸箱拉桿的橫向剛度；其缺點是結構及安裝比較復雜。此種方案在30t大軸重項目、南非20E項目和南非21E項目中得到了應用。

6 結束語

30t大軸重項目是株機公司首個創新方法研究和示范的項目，此項目中一系軸箱拉桿裝置采用的是三角拉桿方案。

方案中，三角拉桿體可以采用鍛造和鑄造成型方法。通過比較分析，在鑄造和鍛造都能滿足強度要求的條件下，鑄造擁有更好的經濟性能，且鑄鋼具有良好的強度、韌性等機械性能，故三角拉桿體的材料選用機械性能和鑄造性能良好的E級鋼。

通過計算分析得出，三角拉桿不同工況下的應力結果分別小于材料的抗拉極限、屈服極限和疲勞極限，故三角拉桿的強度滿足設計要求。

通過運用TRIZ理論，我們找到了解決問題的方法，它指導我們如何去解決問題。在工作中，TRIZ將起到越來越重要的作用。

參考文獻

[1]創新方法研究會，中國21世紀議程管理中心.創新方法教程（初級）[M].北京：高等教育出版社，2015.