線軸車橋性能的臺架試驗方法研究和結果分析

摘要：提供了一種測試線軸車橋性能的臺架試驗方法。根據線軸車橋的結構特點及在掛車上的安裝方式和使用情況，開發、設計了工裝及臺架測試方法，并通過計算機輔助軟件對測試結果進行了驗證。結果表明，該測試方法能夠更科學地檢測和評價線軸車橋的性能。

關鍵詞：線軸車橋；有限元；試驗方法

中圖分類號：U463 收稿日期：2022-12-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.03.022

1 前言

由于線軸橋結構的特殊性，現行推薦標準JT/T475-2020《掛車車軸》中規定的測試方法并不適用于線軸車橋的性能檢測。本文將提供一種適用于線軸車橋臺架測試的方法，通過與普通掛車車橋試驗方法進行對比，說明這種測試方法的合理性及實用性。

2 線軸車橋測試方法

線軸車橋的基本結構簡圖（圖1），與掛車縱梁是剛性連接。線軸車橋性能測試臺架方法分為三個部分：垂直彎曲剛度、強度測試（圖2）及垂直彎曲疲勞壽命測試（圖3）。

2.1 垂直彎曲剛度測試

將線軸單元安裝在試驗臺架上，載荷作用點為小軸端，加載載荷為額定載荷的一半，支承點為橋管的輪距位置，支承點應能滾動或滑動，以保證加載時不發生運動干涉。

在樣品的底板位和橋管中心分別放置測量形變量的百分表。

沿與車軸水平面中心線垂直方向，在1 min 內，預加額定軸荷于載荷作用點上，保持3 min，然后卸載，重復3 次。

預加載荷2 kN±0.2 kN，以此狀態作為測量基準，在1 min 內逐步加載額定軸荷于載荷作用點，記錄并計算各測量點的位移量。重復3 次，計算各測量點3 次測量結果最大值。

按下式計算車軸剛度f：

式中，f 為剛度；Smax 為所有測量點中的位移量的最大值，mm；TR 為輪距，m。

2.2 垂直彎曲靜強度測試

線軸車橋的垂直彎曲靜強度測試方法采用“兩承一壓一拉”的形式，即支承橋管兩端輪距位置，載荷加載在回轉梁的小軸端，回轉梁的大軸端與測試臺鐵地板通過螺栓鎖緊。由于這種測試方式類似于杠桿原理。所以，實際加載在作用點處的載荷為直接加載在軸管中間位置載荷的一半。這樣的加載形式，既降低了加載載荷，又減低了對設備的強度要求，還保證了設備試驗時的穩定性。

對線軸單元進行安裝，并布置百分表。

沿著與車軸水平面中心線垂直的方向預加載荷2 kN±0.2 kN，以此狀態作為測量形變基準。

以相當于4.5 倍的額定軸荷作用于載荷作用點，然后卸荷至預加載荷，記錄此時橋管中間位置的殘余變形量，其值不大于輪距（TR）的0.2%。

每次累計增加0.5 倍額定軸荷進行加載，重復加載、卸載試驗，記錄每次載荷及橋管中間位置的殘余變形，直至最大的殘余變形量達到或超過輪距的0.2%，此時或前次載荷即為垂直彎曲失效負荷。

按下式計算抗垂直彎曲后備系數Kn：

Kn=Pn/P （2）

式中，Kn 為抗彎曲后備系數；Pn 為垂直彎曲失效負荷，kN；P 為額定軸荷，kN。

2.3 垂直彎曲疲勞壽命測試

線軸車橋的疲勞壽命測試方法，是“兩承兩壓”形式，即回轉梁的小軸端和大軸端為兩支承點，載荷加載在橋管兩端輪距位置。試驗載荷作用點、支撐點位置如圖3 所示。

將線軸單元（含附件）安裝在試驗臺架上，支撐點應能滾動，以保證加載時不發生運動干涉。

試驗載荷為正弦脈沖循環載荷，其大小為0.25～2.5倍的額定軸荷，試驗機頻率不大于10 Hz。

沿與軸管水平面中心線垂直方向，施加試驗載荷于載荷作用點。

這種測試方式類似于挑扁擔，兩個載荷作用點、一個支撐點。所以，實際加載在的每個作用點處的載荷為加載載荷的1/2。綜上所述，對線軸掛車車軸而言，垂直彎曲剛度、強度測試這種新的測試方法更適用。

3 有限元模擬

根據線軸實際用料及結構圖紙建立實體模型（圖4），通過計算機輔助設計軟件對線軸車橋的剛度（圖5）、強度（圖6、圖7）和疲勞進行有限元分析（圖8、圖9、圖10 和圖11），驗證測試方法的準確性和可行性。

3.1 剛度分析

剛度模擬結果為1.9 mm/m，實際測試結果：1.8 mm/m，相對誤差為：（1.8?1.9）/1.9×100%=-5.3%。

3.2 強度分析

循環加載卸載，逐漸增加載荷直至750 kN。在提高加載載荷時，樣品發生明顯塑性形變。所以，其測量強度為：750kN/98.1kN=7.6。

破壞壽命為1.09 次，說明該循環載荷完成一次循環加載，樣件即破壞。強度模擬結果為7.5。測量的相對誤差為（7.6?7.5）/7.5×100%=1.3%。

3.3 彎曲疲勞分析

彎曲疲勞的計算結果表明，樣件壽命為3×106 次。

4 分析比較

通過以上的測試和計算機模擬驗證可以看出，測試結果與理論計算結果十分吻合，也充分說明了新的臺架測試方法更適用于線軸車橋。

鑒于線軸車橋獨特的結構形式并結合日常的普通掛車車軸的檢測數據，及研發過程中對線軸車橋的測試結果，將線軸車橋的性能要求概括如下：

a. 垂直彎曲剛度：額定軸荷作用下，每米輪距最大變形量不超過2 mm。

b. 垂直彎曲靜強度：垂直彎曲失效（斷裂或嚴重塑性變形）后備系數Kn≥6.5。

c. 垂直彎曲疲勞壽命：在2.5 倍額定軸荷作用下，最低疲勞壽命不低于100×104 次。

新方法在運行安全性的前提下，更具有穩定性、成本低（包括設備強度和載荷）等特點。

5 結語

目前，物流行業和大件運輸方向的迅速發展，給線軸生產廠家帶來了巨大的市場機遇。線軸結構車軸總量隨著市場的需求逐年增大，使用線軸結構車軸車輛的需求量迅速提升，可以預見這種新的線軸總成性能臺架試驗方法將會很快得到掛車車軸行業的認可。

參考文獻：

［1］JT/T 475-2020 掛車車軸［S］.

［2］余珩載重貨車后橋疲勞壽命分析［D］武漢：武漢理工大學，2014.

［3］李平半掛車懸掛系統的分析和改進［J］汽車科技，2000（4）：51-55.

作者簡介：

劉泗楊，男，1981 年生，助理工程師，研究方向為汽車零部件檢測。