帶有碳粉收集功能的新型轉向架接地軸端研究

徐志龍，諶亮，呂常秀，韓宣，王顯亮，孫浩晏

(中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062)

動車組因其安全、方便、舒適、快捷而成為人們出行的首選工具[1-2]，為了滿足更快、更舒適的需求，對動車組轉向架的要求也越來越高[3-4].動車組轉向架通常設有構架、懸掛裝置、中央牽引裝置、制動裝置、軸端裝置、輪對軸箱組成裝置、驅動裝置、輔助裝置等組成[5-7].轉向架配置不同的軸端可實現不同的功能，如配置防滑速度傳感器的軸端可為制動系統判斷滑移狀態提供依據[8]，配置接地回流裝置的軸端可避免電流對軸箱軸承造成電腐蝕，結合車輛運用情況，既有轉向架接地軸端結構[9-10]運用過程中發生過以下問題：

(1)摩擦副為軸向接觸形式的接地回流裝置通常不具有收集碳粉的功能，導致碳粉進入到軸承內部，不僅污染整個軸端還致使潤滑油脂變干、軸溫升高;

(2)部分動車組接地軸箱端蓋與軸端過渡蓋連接螺栓規格偏小、強度不足，運用中存在螺栓脫落或折斷風險.

針對上述既有問題(1)，重新設計接地軸箱端蓋和接地摩擦盤，改進前后的結構對比如圖1所示.

從圖1可以看到，改進前接地軸箱端蓋和接地摩擦盤沒有設置碳粉收集腔，無碳粉收集功能，而改進后的接地軸箱端蓋和接地摩擦盤預留碳粉收集腔結構，具有碳粉收集功能，能夠有效解決碳粉污染軸端、導致軸溫升高的問題.

(a)改進前 (b)改進后圖1 接地軸箱端蓋和摩擦盤改進前后對比圖

針對上述既有問題(2)，對接地軸箱端蓋和與軸箱過渡蓋連接緊固件重新選型，提高螺栓連接可靠性.

綜上，本文對既有動車組轉向架接地回流軸端裝置進行結構改進，并通過仿真分析驗證結構的合理性.

1 新型結構的動車組轉向架接地軸端

本文所展示的是一種帶碳粉收集功能結構的接地軸端裝置，其結構示意圖如圖2所示.軸端安裝結構從外向里分別是接地回流裝置、接地軸箱端蓋、接地摩擦盤、測速齒輪、速度傳感器、軸箱過渡蓋.

圖2 接地軸端結構示意圖

接地軸端創新點如下：

(1)研制出帶碳粉收集功能的軸端接地回流裝置，碳粉收集腔(如圖3所示)設置在接地軸箱端蓋及摩擦盤圓周方向上，摩擦盤與接地軸箱端蓋安裝為小間隙配合，接地回流裝置磨耗掉的碳粉在車輛運行中由車軸高速旋轉產生的離心力作用下落于碳粉收集腔內，有效阻止碳粉進入軸承內部，進而避免導致軸溫升高問題.

圖3 碳粉收集腔示意圖

(2)將接地軸箱端蓋與軸箱過渡蓋聯接緊固件進行調整，安裝螺栓規格由原來的M8調整為M10，墊圈由普通彈墊調整為楔形防松墊圈來增大摩擦力，相應軸箱過渡蓋和接地軸箱端蓋上的連接結構進行調整，軸箱過渡蓋螺栓孔由M8調整為M10，接地軸箱端蓋螺栓孔由φ9調整為φ11，螺栓聯接部位如圖4所示.

圖4 螺栓連接部位示意圖

2 有限元仿真分析驗證

本文軸端接地裝置較既有結構相比，接地軸箱端蓋增加碳粉收集腔結構，接地軸箱端蓋螺栓孔由φ9調整為φ11，軸箱過渡蓋螺栓孔由M8調整為M10，故重點對接地軸箱端蓋及軸箱過渡蓋進行強度校核.

2.1 靜強度和疲勞強度分析

2.1.1 靜強度分析

接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋除承受來自軸箱(約88kg)的三向加速度，還承受來自軸承的橫向力，根據EN13749-2011標準[11]，取接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋的垂向、橫向、縱向最大加速度分別為70、10、10g，根據上述結果，列出靜強度分析組合工況如表1所示.

表1 靜強度分析組合工況

2.1.2 靜強度校核標準

根據接地軸箱端蓋及軸箱過渡蓋的材料類型得到靜強度的校核標準如表2所示.

表2 靜強度許用值

2.1.3 分析結果

借助ANSYS軟件，在接地裝置組合模型上施加各組合工況，組合工況下的接地軸箱端蓋與軸箱過渡蓋應力分析結果如表3所示.

由表3可知，接地軸箱端蓋的最大應力為163 MPa，該數值小于接地軸箱端蓋許用應力240 MPa，滿足要求;軸箱過渡蓋的最大應力為196 MPa，該數值小于軸箱過渡蓋的許用應力240 MPa，滿足要求.綜上，接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋的靜強度滿足標準要求.

表3 分析結果 MPa

2.1.4 疲勞強度分析

接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋除承受來自軸箱的三向加速度，軸箱過渡蓋還承受來自軸承的橫向力，根據EN13749-2011標準，取接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋的垂向、橫向、縱向最大加速度分別為26、5、5 g，根據上述結果，列出疲勞強度分析組合工況如表4所示.

表4 疲勞強度組合分析工況

2.1.5 疲勞強度校核標準

根據接地軸箱端蓋及軸箱過渡蓋的材料類型得到疲勞強度的校核標準如表5所示.

表5 疲勞強度許用值

2.1.6 疲勞強度分析結果

借助ANSYS軟件，在接地裝置組合模型上施加各組合工況，組合工況下的接地軸箱端蓋與軸箱過渡蓋應力分析結果如表6所示.

表6 疲勞強度分析結果 MPa

由表6可知，接地軸箱端蓋的最大應力為93 MPa，該數值小于接地軸箱端蓋許用應力122 MPa，滿足要求，軸箱過渡蓋的最大應力為120 MPa，該數值小于軸箱過渡蓋的許用應力122 MPa，滿足要求.綜上，接地軸箱端蓋和軸箱過渡蓋的疲勞強度滿足標準要求.

2.2 螺栓強度校核

采用經典力學算法對整個軸端的連接螺栓進行強度校核，下面以接地回流裝置安裝螺栓為例展示強度校核過程.

接地回流裝置重量約2.5 kg，通過3個M12×55的雙頭螺柱和接地軸箱端蓋連接.

(1)雙頭螺柱性能參數

雙頭螺柱強度等級、屈服強度等參數見表7.

表7 螺栓參數

(2)緊固力矩校核

①靜態工況校核

根據公式：Ty=rf·Fy

其中,Fy為預緊力，Ty為預緊力矩，rf為摩擦力臂，干摩擦時，一般取rf=0.2 d.則預緊力：

Fy=35 000/(0.2×12)=14 583.3 N

根據VDI2230-2003標準，M12粗牙螺紋的應力截面積為S=84.3 mm2，由于擰緊雙頭螺柱時其承受拉伸及扭轉的聯合作用，故總拉力按照增加30%后考慮扭轉切應力的影響，于是M12螺栓所承受的名義拉應力為：

σ=1.3Fy/S=224.9 MPa

其許用應力為

[σ]=σs/S=900/1.5=600 MPa

式中,S為安全系數，S=1.2～1.5，取保守值，此處可取1.5.

綜上，σ<[σ]，故螺栓強度滿足設計要求.

②動態工況校核

工況一：沿螺柱軸向承受振動加速度

根據EN13749標準，軸箱橫向振動加速度為10 g，軸端接地回流裝置總成重量2.5 kg(不包含摩擦盤)，在振動加速度的作用下單個螺柱上的軸向力為(2.5×10×9.8)/3=81.67 N，單個螺柱的預緊力為1 4583.3 N，遠大于軸端接地回流裝置在振動加速度作用下產生的軸向力，故滿足要求.

工況二：沿螺柱徑向施加振動加速度

根據EN13749標準，軸箱垂向振動加速度為70 g、縱向振動加速度為10 g，在振動加速度的作用下單個螺栓產生的徑向力為：

在螺柱預緊力的作用下，絕緣墊與軸箱端蓋之間有靜摩擦力，摩擦系數在沒有潤滑的情況下為0.2，則靜摩擦力為：

14 583.3×0.2=2 916.66 N

抗滑移安全系數：2916.66/577.47=5.05>1.2,滿足要求.

經過校核，接地裝置各部位安裝螺栓均滿足使用要求.

3 結論

既有摩擦副為軸向接觸形式的接地回流裝置不具有收集碳粉的功能，是碳粉進入到軸承內部導致軸溫升高的主要原因，本文所展示接地裝置通過接地軸箱端蓋和接地摩擦盤預留碳粉收集腔結構，具有碳粉收集功能，能夠有效解決碳粉污染軸端、導致軸溫升高的問題.同時對該接地軸端結構的聯接緊固件進行重新選型，提高螺栓連接可靠性.通過有限元仿真分析技術對新接地軸端結構進行計算，對載荷組合工況進行靜強度和疲勞強度評估，計算結構及評估結果均滿足要求，通過經典力學算法對本接地軸端裝置的連接螺栓進行校核，各部位安裝螺栓均滿足使用要求.綜上，本接地軸端裝置結構設計合理、強度可靠，在動車組上已批量應用，取得了良好效果.