長大貨物車適應THDS軸溫探測技術的研究

常 邦 燦

(中鐵特貨物流股份有限公司 裝備部，北京 100055)

鐵路長大貨物車是供運輸質量特大或體積特大的貨物的車輛，其載重大，運行速度低，結構復雜，所運輸的貨物均為國家重點工程項目的關鍵設備，若發生列車燃軸切軸等事故，必將造成巨大經濟損失和社會影響。為保證長大貨物車運輸安全，及時發現熱軸，防止熱切軸事故的發生，應對長大貨物車進行適應THDS軸溫探測技術的研究，以滿足長大貨物車軸溫檢測的要求。

1 THDS探測原理及技術要求

車輛THDS軸溫探測系統是利用軌邊紅外線高速探頭和智能跟蹤裝置，在列車運行狀態下自動計軸計輛，測量軸承溫度，預警故障熱軸，實時檢測運行鐵路貨車的軸承溫度并進行跟蹤報警，對及時發現鐵路貨車熱軸，防止熱切軸事故的發生起到了非常重要的作用。

THDS探測系統按探測角度分為內探和外探2種。內探是通過內側紅外線傳感器(簡稱探頭)探測軸承中底部溫度；而外探則是通過外側探頭探測軸承端部溫度。軸溫探測示意圖如圖1所示，設備在軌邊的安裝位置和探測邊界示意圖如圖2所示。

圖1 軸溫探測示意圖

根據探頭在軌邊的安裝位置、探頭角度及輪對組成尺寸，確定了適應內探和外探的技術要求如下：

(1) 裝用D級軸承，軸心距彈簧承載座下平面212 mm的軸箱，最小開孔角度應不小于85°；裝用E級、AAR F 級、AAR K級軸承，軸心距彈簧承載座下平面200 mm的軸箱，最小開孔角度應不小于78°。軸箱體開孔寬度應不小于122 mm。

(2) 距軌面高295 mm，輪對兩軸箱體外側距離不大于2 181 mm。

2 長大貨物車軸箱對THDS適應性分析

截至2017年底，中鐵特貨物流股份有限公司配屬長大貨物車共計33種車型，各車型的轉向架及軸箱結構各不相同，具體如下：

(1) D17A、D12、D26A、D12K、D26AK、D15A和DK17A共7種車型，分別裝用轉K1型、轉8AG型、轉K2型、轉K6型通用貨車轉向架，采用承載鞍結構，能夠適應THDS軸溫內探和外探要求。

(2) D10A型凹底平車、D38型鉗夾車和D30G型雙聯平車在距軌面高295 mm處輪對兩軸箱體外側距離為2 148 mm(<2 181mm)，能夠適應THDS軸溫外探要求。雖然這3種車型軸箱下部被遮擋，不能適應內探要求，但也能達到軸溫監測的目的，可不進行改造。

(3) DQ45、DA37、D45等共23種車型采用焊接構架式轉向架，采用一系軸箱彈簧懸掛和導框式軸箱定位，因軸箱下部封閉(圖3)，不能適應內探要求；在距軌面高295 mm處，輪對兩軸箱體或下均衡梁外側距離大于2 181 mm，也不能適應外探要求。因此該軸箱需經過改造才能適應THDS軸溫探測要求。

圖3 現車軸箱結構

根據投資回報率的分析研究結果，研制年代較早、技術落后、已達到或接近報廢期的D70、D15、D2、D23G、D10、D2G、D18A及D25A共8種車型88輛車不再進行改造；而2000年以后研制的D9A、DA21、DA25、DA26、D32、D32A、DA37、DK23、DK36A、DK36、D45、D22A、D22B、DQ35、DQ45共15種車型81輛車則需要進行軸箱適應THDS軸溫探測要求的改造。

3 改造方案的確定

軸箱適應THDS軸溫探測要求的改造方案有2種：一種是對現車軸箱進行改造以適應內探或外探要求；另一種是研制新軸箱，使其符合THDS軸溫探測要求，同時滿足與現車軸箱的互換要求。不論采取哪種方案，軸箱性能必須滿足TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》要求。

3.1 現車軸箱的改造

現車軸箱改造方案分為在箱體下部開孔以適應內探或將軸箱體外部擋邊或下均衡梁減小以適應外探。

以DK36型落下孔車為例，按內探要求對軸箱體下部開探測孔。經有限元計算，最大應力為167 MPa，超過B級鋼許用應力(150 MPa)，不滿足TB/T 1335—1996標準要求，因此現車軸箱無法通過改造滿足內探要求。軸箱體底部開孔三維模型及應力計算結果如圖4所示。

圖4 軸箱體底部開孔三維模型及應力計算結果

按外探要求，將DK36型落下孔車現車軸箱中心夾角為85°范圍的下部寬度單側去掉22 mm，使軸箱體下部寬度縮小，如圖5所示。經有限元計算，改造后的軸箱最大應力與現車軸箱相比略有增加，由122 MPa變為124 MPa，滿足TB/T 1335—1996標準要求。但與原軸箱相比，由于兩側主筋板切穿，產生了截面突變，且軸箱改造加工工藝復雜，另外現車軸箱經長時間使用后存在一定的損傷積累。因此，考慮到現車軸箱通過改造適應外探要求的方案存在安全風險，不宜采用。

圖5 DK36型落下孔車軸箱體改造示意圖

3.2 研制新軸箱方案及試驗驗證

在適應轉向架彈性懸掛系統的前提下，采用B+級鋼，按THDS的內探要求進行結構優化，優化結構軸箱開孔如圖6所示。

圖6 優化結構軸箱開孔示意圖

以DA21型凹底平車為例，對研制的新軸箱進行了有限元計算，應力云圖見圖7。最大應力發生在軸箱斜拉筋處，應力為92.8 MPa，小于B+級鋼許用應力(151 MPa)，強度滿足TB/T 1335—1996標準要求。為便于與現車軸箱對比分析，對現車軸箱進行了有限元計算，應力云圖見圖8。計算結果表明，研制的新軸箱應力水平與現車軸箱相當。

圖7 研制的新軸箱應力云圖

圖8 現車軸箱應力云圖

對新研制的軸箱進行了強度試驗。試驗結果表明：在各類載荷工況下，軸箱應力均小于其許用應力；經15萬次載荷循環，軸箱無裂紋。軸箱強度符合TB/T 1335—1996標準要求。

4 裝車驗證

長大貨物車軸箱適應紅外軸溫探測圖樣獲得中國國家鐵路集團有限公司機輛部批復后，2018年在新造的DA21型凹底平車、D22B型長大平車上進行了新軸箱的裝車運用。2019年，結合廠修、段修對DK36A、DQ45、D22A等36輛既有長大貨物車的軸箱進行了換裝。經過跟蹤調查，裝用新軸箱的長大貨物車在運行過程中能夠利用THDS進行軸溫監測(圖9)。

圖9 運行列車軸承溫度探測截圖

5 結束語

本文通過對既有鐵路長大貨物車裝用軸箱的分析，針對可使用年限較長、技術較為先進但不適應THDS軸溫探測的15種新型長大貨物車軸箱，提出了現車軸箱改造和研制新軸箱2種方案，分析論證表明，研制新軸箱方案切實可行。有限元計算、強度試驗和裝車驗證結果表明，研制的新軸箱可以滿足THDS軸溫探測要求，達到了長大貨物車預警熱軸，防止燃切軸事故發生的目的，確保了長大貨物車的運輸安全。