轉向架抗側滾扭桿吊桿螺栓受力分析及改進建議

黃竹安

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京 210031）

0.引言

本文主要基于轉向架抗側滾扭桿的吊桿安裝螺栓折斷故障進行分析，通過相關調研分析認為：螺栓折斷與車輛找平狀態不佳有關，找平后左右兩側空簧高度差甚至高達10mm，此時螺栓易發生松動，繼而承受剪切載荷，在其他因素的耦合作用下導致螺栓折斷故障。

以下將詳細分析吊桿安裝螺栓的受力并提出建議。

1.結構簡介

吊桿用于連接抗側滾扭桿與車體，配合抗側滾扭桿抑制車體的側滾傾斜運動，吊桿螺栓的安裝扭矩設計為173N·m，如圖1所示。

圖1 結構示意圖

2.車輛上下體側滾角度計算

2.1 重力傾角附加系數計算

考慮車輛在側傾力矩產生傾角后，由于重力的分量和彈性懸掛會使得車輛會在此基礎上有一額外的附加傾斜角[1]。通過式（1）～（3）計算重力傾角附加系數S3=0.219。

式中：np—車輛一側軸箱數量，取4；ns—車輛轉向架數量，取2；Mc3—車體在滿員載荷下重量kg，取52155kg；hsc3—車體在滿員載荷下的重心距軌面高度m，取 2.097m；hcp0,3—一系支撐面在滿員載荷下距軌面高度m，取 0.907m；hcs0,3—二系支撐面在滿員載荷下距軌面高度m，取 0.94m；Kφp0,3—整車一系在滿員載荷下的抗側滾剛度 N.m/rad，計算為 7.2MN.m/rad；Kφs0,3—整車二系在滿員載荷下的抗側滾剛度N.m/rad，計算為4.536MN.m/rad；Cp0,3—每軸箱一系在滿員載荷下的垂向剛度N/m，取0.9MN/m；Cs0,3—每轉向架一側二系在滿員載荷下的垂向剛度N/m，取 0.384MN/m；Kφn—每轉向架扭桿抗側滾剛度N.m/rad，取1.5MN.m/rad；bp—一系彈簧橫向跨距m，取2m；bs—二系彈簧橫向跨距m，取2m。

2.2 模擬運營工況側滾角度計算

車體側滾角度利用式（4）計算，γn=36.9mrad。

式中：αys—欠超高引起的離心加速度m/s2，考慮105mm欠超高為0.804 m/s2；αydn—運營線路不平順引起的橫向加速度m/s2，?、蠹壪薅?.15g為1.47 m/s2。[2]

3.吊桿受力分析計算

3.1 左右空簧高度差影響的吊桿垂向力

左右空簧高度差引起抗側滾扭桿的垂向位移為Z2，造成扭轉角度為δ2，則可得出因吊桿不調平造成每個扭桿吊桿承受的垂向力FZ1通過式（5）計算。

式中：La為扭桿吊桿橫向跨距m，取1.12m。

3.2 線路運行時通過扭桿吊桿承受的垂向力

模擬運營工況中車體與構架之間產生的角度（γn）最大為36.9mrad（不含吊桿不調平引起的傾斜角δ1），此時引起的吊桿垂向力由式（6）計算，Fz2=49.42kN。

3.3 車輛平衡狀態需要的最大吊桿垂向力

由上兩部分引起的側滾角度需要用吊桿垂向力來平衡，因此吊桿需要提供的垂向力為：

3.4 吊桿螺栓受力計算

車輛在運行過程中，吊桿會因車體與轉向架轉角產生傾斜，上下節點形成偏移。采用圖紙模擬得出，吊桿上下節點最大縱向偏移57mm，橫向偏移100mm，合成后相對偏移115mm。

吊桿及其節點受力如圖2所示，吊桿上下節點位移產生橫向分力FL與FZ夾角與α1相等。

圖2 吊桿及其節點受力圖

則螺栓松動的臨界狀態下，螺栓所需的剩余預緊力FSX利用式10計算，式中μ為安裝面之間摩擦系數，取0.3；我們設定一個扭矩安全系數σ以評價螺栓額外受力前后的剩余預緊力關系，利用式（11）計算。

吊桿的連接螺栓為M16的10.9級高強度螺栓，緊固扭矩為173N·m，經計算單個螺栓預緊力FS0=54kN[3]，車輛運行后取80%的剩余扭矩。

3.5 計算結果匯總

扭矩安全系數的計算結果匯總如表1所示，可以看出隨著找平后空簧高度差的增加，吊桿螺栓的扭矩安全系數逐步降低。

表1 找平后空簧高度差與扭矩安全系數關系

4.總結及建議

通過上述分析計算可以發現，車輛找平狀態不佳時會使吊桿螺栓的扭矩系數降低，當車輛左右空簧高度差達到8mm時，吊桿螺栓的扭矩安全系數已經不足1，則螺栓松動的風險將會大大增加。而螺栓折斷除了本身制造問題外，一般是先發生松動后，產生剪切載荷后發生斷裂，故本文根據分析結果提出了如下建議：

（1）適當增加螺栓緊固力矩，進一步增加螺栓防松安全裕量。

（2）吊桿安裝時兩側不會完全水平，在一側貼靠時，另一側會有間隙，此時應該采用加墊方式來消除間隙而不是使用螺栓緊固的方式來消除間隙，同時控制加墊數量，以避免初始扭矩的損失。