重載貨車轉(zhuǎn)向架搖枕試驗研究

蘇硯幫 蔡世超 封立琪

摘要：簡要介紹了國內(nèi)重載貨車轉(zhuǎn)向架的種類、結構，結合臺架試驗，校核了DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜強度與疲勞強度。同時，對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕進行了疲勞損傷分析。

關鍵詞：重載;搖枕;靜強度;疲勞損傷

中圖分類號：U270.38+8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0080-03

0? 引言

重載運輸可以大幅提高運輸能力和運營收入，降低維修成本，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢明顯，各國通過發(fā)展重載運輸均取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益[1]。美國通過大力發(fā)展重載運輸，在1981-2000年，I級鐵路總生產(chǎn)效率提高了173%，運價降低了29%[2]。目前，我國鐵路貨車運營速度普遍達到120km/h，為了進一步提高貨運能力，提高貨車軸重，研制重載貨車，是我國發(fā)展鐵路貨運的必要措施。

在前期研究的基礎上，國內(nèi)貨車設計制造企業(yè)、科研院所、高校持續(xù)攻關，在重載貨車轉(zhuǎn)向架、車體輕量化、列車縱向沖擊等技術領域取得了突破[3]。2009年開始，陸續(xù)研制了不同類型的27t軸重貨車和30t軸重貨車。

1? 重載貨車轉(zhuǎn)向架種類

近幾年，在大軸重貨車轉(zhuǎn)向架低動力作用、高可靠性輪軸和軸承等關鍵技術領域取得較大進展，開發(fā)研制適合我國國情的大軸重貨車轉(zhuǎn)向架，實現(xiàn)了重載技術新跨越。國內(nèi)各主機制造企業(yè)陸續(xù)研制了27t軸重DZ1型、DZ2型、DZ3型以及30t軸重DZ4型、DZ5型、30t軸重副構架式轉(zhuǎn)向架。

1.1 27t軸重轉(zhuǎn)向架（圖1）

1.1.1 DZ1型轉(zhuǎn)向架

DZ1型轉(zhuǎn)向架是27 t軸重交叉支撐式轉(zhuǎn)向架，技術原理、基本結構與轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架相似，主要變化是采用了八字形軸箱橡膠墊，提升了低動力作用性能，采用了直徑915mm的車輪，并提高車輪硬度，進一步降低輪軌間接觸應力，采用了CJC系列長行程彈性旁承。

1.1.2 DZ2型轉(zhuǎn)向架

DZ2型轉(zhuǎn)向架是27t軸重擺動式轉(zhuǎn)向架，技術原理與轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架相似，主要變化是一系為軸箱橡膠彈性懸掛結構，選用直徑915 mm的車輪，提高車輪硬度，采用了CZC系列長行程彈性旁承。

1.1.3 DZ3型轉(zhuǎn)向架

DZ3型轉(zhuǎn)向架是27 t軸重副構架式轉(zhuǎn)向架，是在轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架運用經(jīng)驗和相關技術研究的基礎上研制的。與轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架相比，主要變化是搖枕、側架全部實現(xiàn)了無焊接設計，承載鞍與副構架分體設計，采用了新型“V”型長行程常接觸彈性旁承。

1.2 30t軸重轉(zhuǎn)向架（圖2）

1.2.1 DZ4型轉(zhuǎn)向架

DZ4型轉(zhuǎn)向架是30t軸重交叉支撐式轉(zhuǎn)向架，基本結構與DZ1型轉(zhuǎn)向架相似，除搖枕、側架、彈簧減振裝置外其余零部件均能與轉(zhuǎn)K6、DZ1型轉(zhuǎn)向架通用，通用化和模塊化程度高。與DZ1型轉(zhuǎn)向架相比，主要變化是轉(zhuǎn)向架基礎制動不同，由于車輛設計結構和車輛自重的要求采用了BAB-1型集成制動裝置。

1.2.2 DZ5型轉(zhuǎn)向架

DZ5型轉(zhuǎn)向架是30 t軸重擺動式轉(zhuǎn)向架，基本結構與DZ2型轉(zhuǎn)向架相似，具有較高的通用化和模塊化程度。與DZ2型轉(zhuǎn)向架相比，DZ5型轉(zhuǎn)向架其主要變化是轉(zhuǎn)向架基礎制動不同，采用了DAB-1型集成制動裝置。

1.2.3 30t軸重副構架式轉(zhuǎn)向架

30t軸重副構架式轉(zhuǎn)向架是在融合北美DR和AR自導向徑向轉(zhuǎn)向架技術和總結副構架式轉(zhuǎn)向架設計運用經(jīng)驗的基礎上研制的。采用了寬導框承載鞍、八字形軸箱橡膠堆彈性定位，簡化U形副構架結構。搖枕、側架等大部件結構與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架兼容性提升，進一步提高了轉(zhuǎn)向架的通用化和模塊化程度和運用經(jīng)濟性。

2? DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕臺架試驗

隨著軸重的增加，轉(zhuǎn)向架的承受的載荷也隨之大幅增加，這對轉(zhuǎn)向架的結構強度、運用性能提出了更高的要求。為確保轉(zhuǎn)向架在運用中的安全性，在轉(zhuǎn)向架投入運用前，有必要依據(jù)相關標準和技術條件對轉(zhuǎn)向架的關鍵承載部件進行強度校核。

靜載荷試驗與靜強度試驗以及疲勞試驗是檢驗產(chǎn)品使用性能的基本方法之一，主要用于考核產(chǎn)品結構是否合理，結構強度是否滿足運用要求。目前，行業(yè)內(nèi)重載貨車搖枕的技術標準主要有TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》、TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側架靜載荷及疲勞試驗》、TJ/CL 470-2016《DZ1、DZ2、DZ3型轉(zhuǎn)向架搖枕、側架技術條件》、TJ/CL 025-2016《大軸重鐵路貨車總體技術條件》等。

2.1 靜載荷試驗

DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜載荷試驗依據(jù)TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側架靜載荷及疲勞試驗》進行。搖枕載荷試驗的安裝及加載方式如圖3所示。

DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕靜載荷試驗，需進行心盤垂向彈性變形、心盤垂向永久變形、心盤垂向最小極限載荷三個工況加載。試驗過程是：先施加與彈性變形試驗相同的載荷進行預壓，然后降至22.25kN的初始載荷，將百分表或撓度計調(diào)零;在初始載荷的基礎上再施加彈性變形試驗載荷，測量彈性變形量;將載荷降至22.25kN，百分表或撓度計調(diào)零后，將載荷加至永久變形試驗載荷（初始載荷包括在內(nèi)），再降至22.25kN，測量永久變形量。垂向最小極限載荷試驗作為最后一項進行，測量垂向永久變形量后，將載荷加至最小極限載荷。對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕依據(jù)TB/T 1959-2006進行了靜載荷試驗，結果見表1。（圖4）

2.2 疲勞試驗

疲勞破壞是貨車轉(zhuǎn)向架部件主要的失效形式之一，在新設計產(chǎn)品試制完成以及原有產(chǎn)品在結構、材質(zhì)及工藝等方面有重大改變時，一般要進行疲勞試驗來檢驗其疲勞可靠性是否能夠滿足運用要求。目前，DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的疲勞試驗依據(jù)TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側架靜載荷及疲勞試驗》進行，搖枕疲勞試驗試件安裝及加載方式如圖5所示。

為了保障加載頻率，在疲勞試驗中，在搖枕彈簧承臺位置，未選用螺旋鋼彈簧支撐，而用剛性接觸替代。需注意的是，在試驗過程中，要釋放搖枕縱向垂直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)自由度。

搖枕疲勞試驗的循環(huán)次數(shù)共計100萬次，分10個加載單元進行施加，每個加載單元循環(huán)次數(shù)為10萬次。在每一加載單元均包括旁承側滾工況、心盤側滾工況、心盤浮沉工況，三種試驗工況的載荷值見表2。（圖6）

在疲勞試驗臺上，依據(jù)TB/T 1959-2006《鐵道貨車搖枕、側架靜載荷及疲勞試驗》，對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕進行了100萬次加載，試驗結束后，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.3 靜強度試驗

目前，DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜強度試驗依據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》、TJ/CL470-2016《DZ1、DZ2、DZ3型轉(zhuǎn)向架搖枕、側架技術條件》、TJ/CL025-2016《大軸重鐵路貨車總體技術條件》進行。試驗工況為垂向載荷P與水平載荷0.25P的合成工況，要求各測點的應力值應不大于[σ1]=151MPa。

搖枕靜強度試驗中垂向載荷施加在搖枕心盤面上，搖枕兩端彈簧支承面處以剛性支承，釋放搖枕端部在搖枕縱向垂直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)自由度，水平載荷施加在搖枕側面中央截面處，對搖枕端部側面進行約束，同時釋放端部側面在搖枕水平平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)自由度。

依據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》、TJ/CL470-2016《DZ1、DZ2、DZ3型轉(zhuǎn)向架搖枕、側架技術條件》、TJ/CL025-2016《大軸重鐵路貨車總體技術條件》對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕進行了靜強度試驗，在垂向載荷P、水平載荷0.25P作用下，最大應力值為129.03MPa，所有測點的應力均未超過材料的許用應力。

3? 疲勞損傷分析

在試驗臺上，對DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕依據(jù)TB/T1959-2006《鐵道貨車搖枕、側架靜載荷及疲勞試驗》進行加載，選取搖枕大應力點布置應變片，采集測點的應力時間歷程，利用雨流計數(shù)法得到該應力時間歷程的8級應力譜，根據(jù)Palmgren-Miner法則，分別計算各測點在旁承側滾、心盤側滾和心盤浮沉工況下的疲勞損傷值。

式中，ni指第i級應力范圍的循環(huán)次數(shù);Ni指第i級應力范圍相對應得疲勞壽命;？駐？滓i指第i級應力范圍;？駐？滓R，L指拐點處應力范圍特征值;C1、C2是常數(shù);m1、m2指S-N雙對數(shù)折線的反斜率。

DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕為B+級鋼鑄造件，所布測點位置均為母材，經(jīng)查IIW-2259-15《Recommendations for fatigue design of welded joints and components》，測點位置FAT等級為160.0MPa，拐點應力范圍為116.0MPa，m1取值為5，m2取值為9，C1取值為2.097E+17，C2取值為3.803E+25。

根據(jù)以上公式計算DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕旁承側滾、心盤側滾、心盤浮沉試驗的損傷值及DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕疲勞試驗的損傷值，具體結果詳見表3。

經(jīng)計算，疲勞試驗后，所有測點中損傷最大值為0.2589， DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕有一定安全余量。同時，在搖枕疲勞試驗中，心盤側滾和心盤浮沉造成的損傷最大。以測點7為例，心盤側滾工況造成的損傷達到67.98%，心盤浮沉工況造成的損傷達到30.75%。

4? 結論與展望

從試驗結果看，DZ1型轉(zhuǎn)向架搖枕的靜載荷、靜強度、疲勞強度均滿足標準要求。通過損傷計算，所布測點的最大值損傷量為0.2589，心盤側滾工況和心盤浮沉工況造成的損傷量遠大于旁承側滾工況造成的損傷量。通過持續(xù)技術攻關，我國重載轉(zhuǎn)向架技術取得了較大突破，陸續(xù)研制了27t軸重和30t軸重轉(zhuǎn)向架，并投入運用，我國鐵路貨車的列車軸重、牽引重量和年運量達到國際重載標準。后期在轉(zhuǎn)向架降噪、提高運行可靠性方面需進一步深入研究。

參考文獻：

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