動車組枕梁組成檢修設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計

魏永強(qiáng) 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動車段

動車組轉(zhuǎn)向架是動車組的走行部，是動車組的最重要部件之一，也是確保動車組在線路上安全、平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。而枕梁就是連接轉(zhuǎn)向架與車體之間的橋梁，是轉(zhuǎn)向架與車體之間的過渡連接元件，傳遞車體和轉(zhuǎn)向架之間的各種力和力矩，并發(fā)揮了作為空氣彈簧系統(tǒng)的附加氣室使用的重要功能。

CRH3 型動車組與CR400BF 型動車組枕梁組成由于車型的不同造成枕梁組成在長度、寬度、重量等結(jié)構(gòu)尺寸方面存在一定的差異，同時又由于使用車輛的不同區(qū)分為頭車枕梁與中間車枕梁兩種類型，即 CRH3 型動車組與CR400BF 型動車組共有4 種型號的枕梁組成裝車使用。枕梁組成在高級檢修過程中需要與動車組轉(zhuǎn)向架分離后完成檢修，在檢修過程中由于枕梁組成裝配部件較多，需要頻繁的翻轉(zhuǎn)檢修。原配屬的檢修設(shè)備僅能支持CRH3 型動車組枕梁組成的翻轉(zhuǎn)使用，不能兼容CR400BF 型動車組枕梁組成的翻轉(zhuǎn)使用，且在使用功能上存在著一定缺陷，存在著安全生產(chǎn)隱患。因此，優(yōu)化設(shè)計一款安全可靠且同時兼容CRH3型及CR400BF 型動車組的枕梁組成檢修設(shè)備就顯得非常必要。

1 枕梁組成簡介

枕梁組成主要由枕梁、抗蛇行減振器座、抗側(cè)滾扭桿座、定位銷、接地座、中心銷等組成（表1）。抗蛇行減振器座通過連接螺栓固定在枕梁上，將抗蛇行減振器與枕梁連接在一起。車體通過兩個壓入枕梁組成的定位銷確定正確的安裝位置。此外，枕梁組成上還包括連接供應(yīng)壓縮空氣用的螺紋接口，如控制閥和安全閥等。枕梁組成結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 枕梁組成結(jié)構(gòu)示意圖

表1 枕梁組成主要組成部件

2 枕梁組成檢修流程及項目

2.1 枕梁組成檢修流程

枕梁組成在動車組高級檢修過程中的流程具體如下。

枕梁組成吊運(yùn)至檢修翻轉(zhuǎn)設(shè)備→枕梁本體檢修→抗蛇行減振器座檢修及更換→中心銷檢修及更換→高度閥、安全閥等閥類檢修→接地線檢修→抗側(cè)滾扭桿組成安裝→完工清理。

2.2 枕梁組成檢修項目

在動車組高級檢修過程中，枕梁組成主要是完成枕梁本體的檢修（包括裂紋檢查、內(nèi)部氣室檢查等）、螺紋孔檢修、附屬配件檢修（抗蛇行減振器座、中心銷等）、閥類檢修（高度閥、安全閥等）、抗側(cè)滾扭桿組成安裝等作業(yè)。

由于枕梁組成裝配的配件、螺栓種類較多，且在正反兩面均有功能性裝配，所以枕梁組成檢修作業(yè)過程中作業(yè)人員需使用枕梁翻轉(zhuǎn)設(shè)備對枕梁進(jìn)行翻轉(zhuǎn)作業(yè)。其中枕梁本體外觀檢查修復(fù)及油漆找補(bǔ)、定位銷檢修、高度閥及安全閥等閥類項目的檢修等作業(yè)需在枕梁正面完成；枕梁內(nèi)部氣室檢查、各安裝螺紋孔檢修、抗蛇行減振器座檢修、中心銷檢修、抗側(cè)滾扭桿組成安裝等作業(yè)需在枕梁反面完成，而抗蛇行減振器座、中心銷與枕梁安裝螺栓更換等作業(yè)需連續(xù)正反翻轉(zhuǎn)才能完成。

3 CRH3 型動車組枕梁檢修設(shè)備存在的問題

一是僅能滿足CRH3 型動車組枕梁組成的升降、翻轉(zhuǎn)檢修作業(yè)，不能同時兼容CR400BF 型動車組枕梁檢修作業(yè)。CR400BF 型動車組枕梁長度與翻轉(zhuǎn)設(shè)備相抗，枕梁接觸面不能完全放置在夾角范圍內(nèi)，有一部分枕梁接觸面直接與設(shè)備橫梁相接觸，造成翻轉(zhuǎn)設(shè)備無法翻轉(zhuǎn)使用，存在安全隱患且無法完成檢修作業(yè)（圖2）。

圖2 枕梁與翻轉(zhuǎn)固定梁的干涉位置示意圖

二是原檢修設(shè)備與枕梁的定位方式為孔式定位，作業(yè)效率較低。在將枕梁吊運(yùn)至翻轉(zhuǎn)架上時，需要極為緩慢的將枕梁兩側(cè)孔位與翻轉(zhuǎn)架固定梁上的孔位逐個一一對齊，才能保證定位銷的順利插入。在固定過程中存在固定梁發(fā)生側(cè)移難以定位的情況，當(dāng)孔位與枕梁對不齊時，還需將枕梁吊起，并手動來回調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)架兩邊的固定梁，讓枕梁四個定位孔均能與固定梁對齊，以便定位銷的安裝，這一過程需要多人配合才可將枕梁盡快順利的安放到位，同時長時間的手動調(diào)節(jié)固定孔位，增加了操作人員的作業(yè)量，降低了作業(yè)效率，加大了作業(yè)過程中的安全風(fēng)險（圖3）。

圖3 CRH3型動車組枕梁檢修設(shè)備示意圖

4 兼容性枕梁檢修設(shè)備的設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)比對

通過比對CRH3型、CR400BF型動車組枕梁技術(shù)資料，發(fā)現(xiàn)CR400BF 型動車組枕梁長度比CRH3 型枕梁長度長約170 mm，寬度比CRH3 型枕梁寬度寬約30 mm，重量比CRH3型枕梁輕約90kg（圖4）。

圖4 兩種型號枕梁尺寸對比圖

4.2 優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)備存在的主要問題及CRH3型、CR400BF 型動車組枕梁尺寸結(jié)構(gòu)差異為基礎(chǔ)對枕梁檢修設(shè)備進(jìn)行兼容性檢修設(shè)計，計劃將翻轉(zhuǎn)機(jī)橫梁、夾具進(jìn)行重新設(shè)計，在滿足長度冗余的基礎(chǔ)上對橫梁、夾具的選材、結(jié)構(gòu)方式等從安全性、使用便捷性等方面重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計后的檢修設(shè)備將滿足兼容檢修的需求。

4.2.1 長度及寬度設(shè)計

由于枕梁檢修設(shè)備機(jī)器本體立柱距離固定，故在不考慮移動設(shè)備基礎(chǔ)的前提下，從橫梁、夾具入手進(jìn)行改造。將原來支撐梁方鋼管更改為25 mm 的鋼板橫梁結(jié)構(gòu)，改造后單側(cè)橫向空間減少了85 mm，確保CR400BF 型動車組枕梁能夠平穩(wěn)的放置在夾具夾角內(nèi)。同時設(shè)計增加了橫梁夾具的單側(cè)自由度，使橫梁具備橫向移動功能，其移動范圍為250 mm，確保了不同尺寸寬度類型的枕梁都能夠存放。

4.2.2 定位方式優(yōu)化設(shè)計

一是更改優(yōu)化了原有的枕梁與翻轉(zhuǎn)機(jī)的定位方式，將原先的軸孔式定位方式優(yōu)化為軸槽式定位方式，優(yōu)化后在安全可靠的范圍內(nèi)增大了工件偏移量的余量，使得檢修作業(yè)更加方便快捷、減少了人員的重復(fù)勞動時間及枕梁的定位時間。

二是改變了夾具與枕梁的受力點(diǎn)位，原先的受力點(diǎn)位傾向于枕梁的中心軸線位置，更改后的受力點(diǎn)傾向于枕梁的側(cè)邊位置，使枕梁在翻轉(zhuǎn)過程中受力更加均勻，降低了枕梁在轉(zhuǎn)動過程中掉落的風(fēng)險。

4.2.3 增加了輕量化設(shè)計

將原來檢修設(shè)備的支撐梁方鋼管更改成鋼板橫梁結(jié)構(gòu)，同時將定位方式優(yōu)化為槽式定位結(jié)構(gòu)后，夾具本身重量由原來的約200 kg減輕為61 kg左右。

4.2.4 設(shè)備可靠性分析

（1）對改造后翻轉(zhuǎn)固定梁建模分析，取夾具的最大承載力，CRH3 型動車組枕梁組成重量進(jìn)行分析（圖5）。

實(shí)體質(zhì)量：61.1909 kg

體積：0.00784499 m3

密度：7 800 kg/m3

重力：599.671 N。

圖5 夾具模型

（2）對改造翻轉(zhuǎn)固定梁材料屬性進(jìn)行分析，具體見表2。

表2 夾具材料屬性

（3）運(yùn)用ANSYS 有限元分析的方法對建模后的橫梁、夾具的應(yīng)力、位移、安全系數(shù)均進(jìn)行了分析，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化改造后的橫梁、夾具結(jié)構(gòu)滿足各項強(qiáng)度要求，分析結(jié)果具體見圖6、7、8。

圖6 應(yīng)力計算

圖7 位移計算

圖8 安全系數(shù)

5 應(yīng)運(yùn)現(xiàn)狀

優(yōu)化設(shè)計后的枕梁組成檢修設(shè)備經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證使用發(fā)現(xiàn)具備以下顯著的優(yōu)勢：一是減少了設(shè)備占地面積、節(jié)約了設(shè)備采購成本。按照檢修方案原先至少需新增2 臺檢修設(shè)備，現(xiàn)優(yōu)化改造后CRH3型動車組枕梁組成檢修設(shè)備可兼容CR400BF 型動車組枕梁組成的翻轉(zhuǎn)檢修作業(yè)，同時具備了4 種不同結(jié)構(gòu)枕梁組成的翻轉(zhuǎn)檢修功能，即無需新增檢修設(shè)備即能滿足各項檢修需求。二是降低了設(shè)備使用難度，提高了作業(yè)效率。通過定位方式的優(yōu)化改進(jìn)，將原先設(shè)備操作配合人員從5名減少到3名，在降低了設(shè)備的使用難度的同時也提高了作業(yè)效率，減少了設(shè)備使用過程中的勞動安全隱患。三是提高了設(shè)備的安全性能。通過輕量化設(shè)計、受力點(diǎn)位置變更等方式減輕了設(shè)備的自重承載，減少了關(guān)鍵配件的疲勞損傷，提高了設(shè)備的安全性能。