一款米軌轉向架的結構優化

邵瑾瓏，王磊

一款米軌轉向架的結構優化

邵瑾瓏，王磊

（江蘇瑞鐵軌道裝備股份有限公司，江蘇 蘇州 215600）

針對某貨車用轉向架出現的問題，考慮既有產品零部件的互換性，在改進使用性能的基礎上設計研發了一款米軌轉向架。介紹了轉向架的結構特點、主要技術參數、在研發過程中對各零部件結構的優化。根據優化后的結構，采用ANSYS軟件完成對側架、搖枕靜強度、剛度及疲勞的計算，并對新研發的組合式制動梁進行強度計算。計算結果均滿足標準要求。對轉向架的動力學性能進行計算分析，結果符合設計標準。對產品制造生產過程的監控及最終應用說明，該米軌轉向架滿足使用要求。

米軌轉向架；組合式制動梁；技術參數；ANSYS

江蘇瑞鐵軌道裝備股份有限公司為東南亞某客戶研制的一款米軌轉向架，使用鑄鋼三大件式轉向架[1]，采用控制型常摩擦減振器，間隙旁承[2]，其使用性能不太理想，尤其已用的鑄造制動梁，鑄造質量不易控制，鑄造缺陷明顯，出現個別制動梁斷裂情況，且制動梁組成后期維護困難；側架、搖枕出現壁厚不均勻，關鍵部位未控制好，且其他一些零部維護成本較高。因此需要在考慮到現有轉向架零部件互換及使用線路的基礎上，優化現有轉向架，并徹底解決基礎制動問題。

優化后，基礎制動裝置采用鍛造式組合式制動梁組成，杠桿制動、緩解靈活，整體轉向架重量輕，且堅固耐用、檢修維護方便。

1 主要技術參數

該米軌轉向架主要技術參數如表1所示。

表1 米軌轉向架主要技術參數

2 主要結構的優化

該米軌轉向架主要結構如圖1所示。

1.滾動軸承組成；2.側架組成；3.減振裝置；4.搖枕組成；5.懸掛裝置；6.承載鞍；7.輪對組成；8.中心銷；9.心盤磨耗盤；10.下旁承；11.基礎制動裝置。

2.1 輪軸及滾動軸承

輪對組裝符合TB/T 1718.2[3]要求，輪對內側距924 mm；使用780整體輾鋼車輪，使用客戶現有的錐形踏面；車軸符合TB/T 2945[4]要求，采用中部錐形車軸，經鍛造加工制成。采用AAR（Association of American Railroads，美國鐵路協會）C級（5″×9″）雙列圓錐滾子軸承，輪對軸承滿足客戶現有產品互換要求。

2.2 側架

側架采用B+級鋼，符合AAR M-201[5]要求。側架靜強度、靜載荷和動載荷符合AAR M-203[5]要求。立柱磨耗板采用45鋼的柱磨耗板，用ZT型折頭螺栓固定在側架上；采用T10鋼滑槽磨耗板，鑲嵌卡在側架的滑槽內。立柱磨耗板與滑槽磨耗板為可拆卸式，降低了后期維修成本。

根據客戶反饋既有轉向架側架壁厚問題，結合鑄造工藝，對側架中央承臺面與立柱面、端頭承載面與側架兩側面的漸變壁厚進行大圓弧過渡優化，減少壁厚的突變。在優化過程中還要考慮側架的整體重量控制，在各彎角處增加鑄冷卻筋，保證在制造過程中壁厚的均勻，鑄造表面質量更好。

2.3 搖枕

搖枕采用B+級鋼，符合AAR M-201[5]要求。搖枕靜強度、靜載荷和動載荷符合AAR M-202[7]要求。采用分體式鑄鋼下心盤材質為B+級鋼，下心盤317 mm，采用高強度螺栓緊固在搖枕上；搖枕側面焊接有鑄造式固定杠桿支點座；斜面磨耗板焊接在搖枕八字面上，斜面磨耗板材質為06Cr19Ni10。

根據客戶反饋既有轉向架搖枕壁厚問題，結合鑄造工藝，對搖枕上心盤安裝面與搖枕上壁采用一小段漸變壁厚，對搖枕A區域采用變壁厚與大圓弧過渡優化，在搖枕旁承盒子底部也采用變壁厚與大圓弧過渡，減少壁厚的突變，既能保證旁承有效的安裝高度，也能在澆鑄后容易脫模。在各彎角處增加鑄冷卻筋，保證在制造過程中壁厚的均勻，鑄造表面質量更好。

2.4 減振及懸掛裝置

中央懸掛的彈簧采用內、外等高彈簧組。彈簧材料采用優質彈簧鋼60Si2CrVA，彈簧組空車撓度9 mm，在保證與客戶現有車輛平穩連掛的基礎上，空車與重車時都具有足夠的撓度及良好的動力性能。采用寬大的控制型常摩擦減振裝置，可以增大轉向架的抗菱形剛度，使車輛運行平穩。斜楔采用高耐磨的奧貝球鐵鑄造而成，減小運營中的磨耗與更換。

2.5 基礎制動裝置

轉向架基礎制動裝置采用單側閘瓦踏面制動，包括組合式制動梁、左右閘瓦托、制動杠桿、固定杠桿制動、制動梁安全鏈、下拉桿等。制動杠桿與鉛垂方向的夾角為0°，閘瓦采用高磷鑄鐵閘瓦，厚度45 mm，基礎制動倍率6。

了解到客戶既有動梁組成采用了B+級鋼鑄造式制動梁架，結構如圖2所示，制動梁架使用T型薄筋結構，兩端部與中部結構整體較大，截面突變較急，鑄造工藝難控制，容易在變截面處出現氣孔與疏松。制動梁正火后，再對制動梁架兩端頭與閘瓦托配合的三面及中部進行整體機加工，制造成本高。支柱組焊接在制動梁中部，閘瓦托焊接在制動梁架上，最后將滾子焊接在閘瓦托上，結構如圖3所示，焊接量較大，閘瓦托焊接變形大，尤其是與閘瓦配合的弧度變形難控制，導致后期閘瓦與閘瓦托安裝配合困難。

圖2 制動梁架

優化后，采用工藝成熟的整體鍛造制動梁架，閘瓦托及端頭一體式鑄造，閘瓦托端頭與側架滑槽磨耗處增加非金屬磨耗套。支柱端頭采用U型扣壓式結構，閘瓦托及支柱使用鐵路貨車專用鉚釘鉚接在制動梁架上，閘瓦與閘瓦托安裝配合好。如圖4所示，組合式制動梁結構可靠、成型方便，后續各零部件檢修更換容易。

圖3 制動梁組成

圖4 組合式制動梁

2.6 其他主要部件

轉向架采用結構簡單的間隙鑄鐵旁承，放置在搖枕的旁承盒子內，當車輛通過曲線時，一側旁承承擔一定的垂向載荷，安裝與維護方便。采用輕量化C型承載鞍，承載鞍材質符合AAR M-201[5]C級鋼。在下心盤內設有可拆卸式尼龍心盤磨耗盤，安裝與維護方便。在側架導框與軸承間設有擋鍵，使得轉向架可以整體起吊。轉向架上設置有制動梁安全鏈、下拉桿安全托等運用安全裝置，制動的各圓銷孔中設置有高耐磨奧貝球鐵材料襯套，減小磨耗，利于更換。

3 主要部件的計算

3.1 搖枕、側架的靜強度與剛度

依據AAR M-203[6]和AAR M-202[7]標準，對側架、搖枕結構進行有限元建模分析，采用實體單元對結構進行離散。在側架導框彈簧承臺支撐處施加垂向約束，導框處施加橫向約束；在搖枕兩端八字面彈簧支撐處施加垂向約束，止擋結構處施加橫向載荷，以模擬其支撐情況[8]。采用ANSYS軟件建立模型及求解。針對主要考核工況，計算結果如表2和表3所示。

計算結果表明，側架、搖枕的靜強度和變形量（剛度）在設計載荷工況下，各處應力均小于B+級鑄鋼的許用應力評定標準，橫向載荷和垂向載荷下，最大變形量均小于規定值，分別滿足AAR M-203[6]和AAR M-202[7]的要求。

3.2 搖枕、側架的疲勞強度

采用有限壽命設計理論的應力－壽命法，以B+級鑄鋼-曲線（脈動循環應力－壽命曲線）和規定載荷譜下的有限元計算應力為依據，根據線性累計損傷法則計算側架、搖枕疲勞壽命[9]。對于正常鑄造質量水平（疲勞缺口系數K＝1.5）的搖枕、側架，計算結果如表4所示。

表2 側架、搖枕靜強度工況及計算應力最大值

注：為車軸載荷，MPa；為心盤垂向載荷，MPa

表3 側架、搖枕剛度工況及計算變形量最大值

表4 疲勞載荷下大應力點疲勞損傷計算結果

注：n為第級應力范圍下的應力循環次數；N為第級應力范圍下發生疲勞失效時的循環次數。

由表4可知：在AAR M-203[6]規定的疲勞載荷及其加載次數下，制動梁滑槽邊緣、立柱邊緣和立柱導框邊頂角是側架的主要疲勞損傷部位，其疲勞載荷工況下應力幅均小于B+級鋼的疲勞極限應力。在規定的彈簧承臺垂向載荷、側架立柱邊緣橫向載荷和側架立柱扭轉載荷的疲勞載荷下，側架各處的疲勞累積損傷均小于1。因此，在正常鑄造質量水平下，該側架的疲勞強度和疲勞壽命滿足設計要求。

在AAR M-202[7]規定的疲勞載荷及其加載次數下，搖枕八字面彈簧支撐附近的筋板圓角處是搖枕的主要疲勞損傷部位，其疲勞載荷工況下應力幅均小于B+級鋼的疲勞極限應力。因此該搖枕能夠通過疲勞試驗。在規定的心盤中心沉浮載荷、心盤邊緣沉浮載荷和旁承載荷疲勞載荷下，搖枕各處的疲勞累積損傷均小于1，因此，在正常鑄造質量水平下，該搖枕能夠通過疲勞試驗。

3.3 組合式制動梁

依據TB/T 1978[10]試驗載荷條件，采用ANSYS軟件對開發設計的制動梁變形量、強度進行計算，依據TB/T 1335[11]評估表明：

（1）制動梁在制動力作用下（load case 1）的最大變形量為1.2 mm，該值小于制動梁的評定標準（許用變形量為2.5 mm），變形量滿足標準要求。

（2）制動梁最大應力為185 MPa，出現在制動力與向下摩擦力共同作用時（load case 2）立柱與弓形桿交界處，該值小于TB/T 1335[11]的要求（223 MPa），剛度滿足標準要求。

4 車輛動力學性能分析

采用美國V級線路譜，利用NUCARS軟件對優化后的米軌轉向架進行動力學性能分析。蛇行運動穩定性、直線運行平穩性、直線運行和曲線通過安全性計算結果表明：

（1）空、重車臨界速度分別為113 km/h和118 km/h、能夠滿足空、重車100 km/h運行速度的要求，并具有一定的速度裕量。

（2）在110 km/h速度范圍內，直線運行車體最大振動加速度、直線運行最大平穩性指標、直線運行安全性指標如表5、表6所示，均滿足標準要求。

表5 直線運行參數

表6 直線運行安全性指標

（3）動態曲線通過安全性指標如表7所示，均滿足標準要求。

（4）計算和分析表明，在空車100 km/h、重車80 km/h范圍內運行，該米軌轉向架動力學性能良好，滿足GB/T 5599-1985[19]的要求。

表7 動態曲線通過安全性指標

5 結束語

制造時，對側架、搖枕A、B部位進行剖切后密實度檢查；對側架、搖枕壁厚及單件的整體重量進行控制，均達到設計要求。

對側架、搖枕表面按TB/T3105.3[20]進行磁粉檢測；對側架、搖枕的A，B部位按照TB/T 3105.2[21]進行超聲波傷檢測，按照TB/T 3105.4[22]進行射線檢測，一次性全部合格通過。

該轉向架于2019年6月交付用戶，經過試驗后裝車運行。截至2022年6月，運行情況表明，優化后的轉向架性能穩定，磨耗輕微，零部件可互換性強，運用情況良好。

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Design Optimization of a Meter-Gauge Bogie

SHAO Jinlong，WANG Lei

( Jiangsu Railteco Equipment Co., Ltd., Suzhou215600, China)

The article focuses on the problems of a wagon bogies, considering the interchangeability of existing product parts, and improving the performance of a meter-gauge bogie designed and developed. The structural characteristics of the bogie, the main technical parameters, and the optimization of the structure of various parts during the research and development process are introduced. According to the optimized structure, large-scale ANSYS software is used to complete the calculation of the static strength, stiffness and fatigue of the side frame and bolster, and the strength calculation of the newly developed composite brake beam. The calculation results meet the standard requirements. The calculation and analysis of the dynamic performance of the bogie are adopted, and the results meet the design standards. The monitoring of the product manufacturing process and the final application instructions meet the requirements for use.

meter-gauge bogie；brake beams；technical parameters；ANSYS

U270.331

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.07.007

1006-0316 (2022) 07-0042-06

2021-12-06

邵瑾瓏（1987－），男，甘肅會寧人，工程師，主要從事轉向架設計研發制造工作，E-mail：15862622675@163.com。