D2G型凹底平車軸箱改進(jìn)

■ 哈爾濱雙通鑄鍛有限責(zé)任公司 （黑龍江 150056） 王廣亮

D2G型凹底平車是我公司1997年研制的長大貨物車，目前運(yùn)用數(shù)量共有28輛。由于該車采用的軸箱為底部封閉的耳式軸箱，導(dǎo)致車輛運(yùn)用中紅外線軸溫設(shè)備（THDS）無法對(duì)該車進(jìn)行軸溫檢測(cè)，存在一定的安全隱患。因此，需要對(duì)D2G型凹底平車軸箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足車輛軸溫檢測(cè)的要求。

1. D2G型凹底平車及其原軸箱結(jié)構(gòu)

（1）車輛基本結(jié)構(gòu)：D2G型凹底平車由一個(gè)大底架、兩個(gè)小底架、兩個(gè)A型4E軸構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架、兩個(gè)B型4E軸構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架、空氣制動(dòng)裝置、手制動(dòng)裝置和車鉤緩沖裝置等部分組成（見圖1）。

（2）車輛基本參數(shù)：載重210t，自重148.547t，實(shí)際軸質(zhì)量22.4t，構(gòu)造速度80km/h，通過最小曲線半徑180m。

（3）原軸箱結(jié)構(gòu)：原軸箱為底部封閉的耳式軸箱（見圖2），底部鑄有3條縱筋及6個(gè)拉筋支撐兩側(cè)彈簧承臺(tái)；中部軸孔為長圓孔，與軸承配合的上弧面為鞍面結(jié)構(gòu)，弧面軸向有兩條弧形推力擋肩；兩側(cè)彈簧承臺(tái)與軸箱導(dǎo)框間有4條斜拉筋連接。

2. 軸箱改進(jìn)分析

（1）紅外線軸溫設(shè)備（THDS）軸溫檢測(cè)要求。紅外線軸溫設(shè)備（THDS）有內(nèi)探頭和外探頭兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)，內(nèi)外探頭的測(cè)量邊界如圖3所示。

設(shè)備安裝尺寸及公差：內(nèi)探頭中心離軌內(nèi)側(cè)（265±5）mm，沿軌道方向傾斜45°，外探頭軸向內(nèi)傾3°。

圖1 D2G型凹底平車

圖2 D2G型凹底平車原軸箱

圖3 測(cè)量邊界

（2）軸箱改進(jìn)要求。根據(jù)紅外線軸溫設(shè)備（THDS）軸溫檢測(cè)要求，以保證軸溫檢測(cè)探頭紅外線光束能夠照射到軸承外圈一定范圍內(nèi)為需求，來考慮軸箱結(jié)構(gòu)尺寸及強(qiáng)度要求，軸箱底部開孔后只能滿足內(nèi)探頭軸溫檢測(cè)。

（3）軸箱底部開孔尺寸確定。①軸箱底部沿軸向開孔尺寸確定：綜合考慮輪軌間隙、輪軸制造組裝偏差、軸箱與軸承制造組裝偏差、軸溫檢測(cè)設(shè)備組裝偏差及運(yùn)用磨耗限度等因素（見圖4），按照軸箱中心與紅外線軸溫設(shè)備內(nèi)探頭光束邊緣軸向單側(cè)最大偏差值，來確定軸箱底部沿軸向開孔尺寸。具體計(jì)算如下。

輪軌單側(cè)最大偏移量L1：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)軌距取最大值1 441mm、輪緣內(nèi)側(cè)距取最小值1 350mm和輪緣厚度取最薄限度22mm時(shí)，輪軌單側(cè)最大偏移量L1＝[1 441－（1 350＋22×2）]/2＝23.5（mm）。

軸箱與軸承軸向單側(cè)最大偏移量L2：當(dāng)軸箱鞍面推力擋肩距取最大原型值164.5mm、軸箱推力擋肩兩側(cè)總允許磨耗為1mm和軸承外環(huán)寬度值取160mm時(shí)，軸箱與軸承軸向單側(cè)最大偏移量L2＝（164.5－160）/2＋1＝3.25（mm）。

紅外線軸溫設(shè)備內(nèi)探頭中心與軸承中心軸向最大偏移量L3：當(dāng)紅外線軸溫設(shè)備內(nèi)探頭中心距取最大值[1 441＋（265＋5）×2]＝1 981（mm），軸承軸向中心距取最小值（1 956－1）＝1 955（mm）時(shí)，紅外線軸溫設(shè)備內(nèi)探頭中心與軸承中心軸向最大偏移量L3＝（1 981－1 955）/2＝13（mm）。

軸承外圈部位紅外線軸溫設(shè)備內(nèi)探頭光束照射半徑R＝18mm。

軸箱中心與紅外線軸溫設(shè)備內(nèi)探頭光束邊緣軸向單側(cè)最大偏差值L：L＝L1＋L2＋L3＋R＝23.5＋3.25＋13＋18＝57.75（mm）。

軸箱軸向開口最小總寬度2L＝57.75×2＝115.5（mm）。

由上述計(jì)算得知，軸箱底部軸向開孔尺寸不小于115.5mm，就能滿足紅外線軸溫設(shè)備內(nèi)探頭檢測(cè)需要。因此，軸箱底部沿軸向開孔尺寸最終統(tǒng)一確定為130mm。

軸箱底部沿軌道方向開孔尺寸確定：紅外線軸溫設(shè)備內(nèi)探頭光束沿軌道方向照射角度為45°，根據(jù)紅外線軸溫檢測(cè)設(shè)備研制單位康拓公司提供的，當(dāng)軸中心距彈簧承臺(tái)底面尺寸≤200mm時(shí)，在軸箱底部沿軌道方向，在軸中心與彈簧承臺(tái)底面連線對(duì)稱78°范圍內(nèi)開孔，即能保證紅外線軸溫檢測(cè)的要求，初步確定在軸箱底部沿軌道方向，在軸中心與彈簧承臺(tái)底面連線對(duì)稱80°范圍內(nèi)開孔（見圖5）。

圖4 輪軸、軸箱及軸溫檢測(cè)設(shè)備相關(guān)尺寸

圖5 內(nèi)探頭紅外線光束沿軌道方向照射情況

3. 軸箱改進(jìn)方案

本方案為在軸箱底部開一長方孔，滿足在車輛運(yùn)用中紅外線軸溫設(shè)備內(nèi)探頭對(duì)軸承軸溫檢測(cè)的要求。同時(shí)，在保證軸箱與軸承、軸箱與彈簧、軸箱與導(dǎo)框及軸箱與軌面等各部配合尺寸不變前提下，對(duì)軸箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部調(diào)整和優(yōu)化，保證軸箱滿足使用要求（見圖6）。具體結(jié)構(gòu)尺寸如下。

（1）軸箱底部開孔尺寸：①軸箱底部沿軸向?qū)ΨQ開孔尺寸130mm。②軸箱底部沿軌道方向?qū)ΨQ開孔尺寸由軸孔中心向下對(duì)稱80°。

（2）彈簧承臺(tái)與導(dǎo)框配合面間斜拉筋厚度、彈簧承臺(tái)圓形擋厚度由10mm變更為12.5mm；彈簧承臺(tái)圓形擋高度由30mm變更為20mm。

（3）軸箱底部兩條縱向筋內(nèi)間距由110mm變更為130mm；兩縱向筋之間新增兩條垂直拉筋，厚度25mm。

（4）取消彈簧承臺(tái)原有兩個(gè)φ18mm排水孔，在彈簧承臺(tái)圓形擋兩端各開一寬30mm的排水口。

圖6 D2G型凹底平車改進(jìn)后三維圖

（5）軸箱彈簧承臺(tái)增加兩個(gè)彈簧圓臍結(jié)構(gòu)，整體鑄出。

4. 改進(jìn)后軸箱靜強(qiáng)度有限元分析

由于原結(jié)構(gòu)軸箱體所采用的材料為ZG230－450，故其第一工況許用應(yīng)力132MPa，改造后軸箱體所采用的材料為B﹢級(jí)鋼，故其第一工況許用應(yīng)力184MPa。

通過對(duì)改進(jìn)前、后軸箱體進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元分析驗(yàn)證（見圖7），垂向載荷作用下，改造后軸箱體最大應(yīng)力發(fā)生在軸箱體孔與軸承接觸位置邊緣，當(dāng)量應(yīng)力為124.29MPa。軸箱體孔與彈簧支持拉筋處也承受較大的拉應(yīng)力，最大為102MPa。

側(cè)向力的作用下，原結(jié)構(gòu)軸箱體最大應(yīng)力發(fā)生在軸箱體孔與彈簧承臺(tái)連接拉筋處，當(dāng)量應(yīng)力為121MPa。軸箱體最大應(yīng)力發(fā)生在軸箱體孔與軸承接觸位置邊緣，承受較大的拉應(yīng)力，最大為107.93MPa。

圖7 有限元分析

從有限元結(jié)果可以看出，在垂向載荷和側(cè)向力的作用下，原結(jié)構(gòu)軸箱體與改造后軸箱體當(dāng)量應(yīng)力均滿足TB/T1335－1996《鐵路車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求的允許使用應(yīng)力范圍內(nèi)，且改造后軸箱體與原結(jié)構(gòu)相比，性能得到很好的改良。

5. 結(jié)語

（1）改造后，軸箱能夠滿足D2G型凹底平車運(yùn)用過程中，紅外線軸溫設(shè)備（THDS）對(duì)該車進(jìn)行軸溫檢測(cè)的要求。

（2）改造后，軸箱與彈簧、導(dǎo)框及輪軸各部配合尺寸保持不變；輪頸中心距保持不變；軸箱質(zhì)量略有減少（由110.04kg變更為102.7kg），軸質(zhì)量保持不變；保持原有動(dòng)力學(xué)性能不變。

（3）改造后，軸箱體材質(zhì)由ZG230－450變更為B﹢級(jí)鋼，當(dāng)量應(yīng)力滿足TB/T1335－1996《鐵路車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求的允許使用應(yīng)力范圍內(nèi)，且改造后軸箱體與原結(jié)構(gòu)相比性能得到很好的改良。

（4）由于D2型凹底平車與D2G型凹底平車采用相同的轉(zhuǎn)向架及相同的軸箱，且D2型凹底平車軸質(zhì)量（20.42t）低于D2G型凹底平車軸質(zhì)量（22.4t），故D2G型凹底平車改造后軸箱可以用于D2型凹底平車。

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[1] 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．4版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

[2] 鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所．機(jī)車車輛標(biāo)準(zhǔn)匯編[M]．北京：中國鐵道出版社，2004．