HXN3型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)的思考

曲天威,王惠玉,芮 斌,鄭長國

(中國北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司,遼寧大連116022)

HXN3型機(jī)車正式投入線路運(yùn)營已經(jīng)一年多,到目前為止先期投入運(yùn)營的機(jī)車已經(jīng)運(yùn)行了22萬km。雖然在運(yùn)營中曾出現(xiàn)過掃石器、車梯子裂紋問題,但從總體看該車的主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該車在設(shè)計(jì)過程中由于苛刻的承重自重等指標(biāo),給技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)帶來極大難度,但由于采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),虛擬仿真分析,充分的試驗(yàn)驗(yàn)證,使得車體、轉(zhuǎn)向架等主要大部件在極限減重的條件下完成設(shè)計(jì),樣機(jī)經(jīng)過中國鐵道科學(xué)研究院的試驗(yàn),其剛度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

基于引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的指導(dǎo)思想,思考該車在設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)、運(yùn)營等各階段的技術(shù)合作中所進(jìn)行的技術(shù)交流、技術(shù)討論,消化對(duì)方提供的技術(shù)資料,解讀合作方的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)思想,將對(duì)今后產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)發(fā)展起到有力的促進(jìn)作用。

1 構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先遇到的是承重問題,因?yàn)樵撥嚨目傮w設(shè)計(jì)分給轉(zhuǎn)向架的承重量幾乎是HXD3的1/2,也就是說利用所限定的材料,設(shè)計(jì)的構(gòu)架要保證其具有足夠的剛度和強(qiáng)度,這給轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。

1.1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)的幾何形狀設(shè)計(jì)

為了滿足構(gòu)架的各種性能指標(biāo),將構(gòu)架的幾何形狀設(shè)計(jì)成“月”字形,將構(gòu)架兩側(cè)梁的上、下蓋板和立板的厚度適當(dāng)搭配,使有限的材料發(fā)揮最大的性能。

為了與其他軸重相同的構(gòu)架比較,現(xiàn)將 HXD3、HXD3B、HXN3構(gòu)架的有關(guān)板厚和設(shè)計(jì)參數(shù)列入表1,從中可見質(zhì)量差距對(duì)設(shè)計(jì)的難度。其設(shè)計(jì)方案的三維圖形詳見圖1。

1.2 整體和局部剛度協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)允許的情況下,不論是整體還是局部均應(yīng)保證剛度協(xié)調(diào),以此盡量減少出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中,這是該構(gòu)架開發(fā)中重要的設(shè)計(jì)理念。由圖1可以看出,構(gòu)架的兩側(cè)梁結(jié)構(gòu)的連續(xù)性很好,從計(jì)算得到的應(yīng)力分布和位移結(jié)果看基本是等剛度、等強(qiáng)度。其應(yīng)力分布詳見圖2。

表1 構(gòu)架板厚和設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 構(gòu)架設(shè)計(jì)三維圖

圖2 構(gòu)架的整體位移和應(yīng)力分布圖

1.3 筋板的幾何形狀和布置

對(duì)橫梁、側(cè)梁內(nèi)部筋板的幾何形狀和布置的設(shè)計(jì)理念也是值得思考和借鑒的,這些內(nèi)部筋板的幾何形狀不都是簡單的方形結(jié)構(gòu),而是根據(jù)構(gòu)架的整體受力情況和力的傳遞走向以及整體的剛度分布而定。這要求設(shè)計(jì)者在技術(shù)設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)對(duì)構(gòu)架的受力情況和剛度分布有總體的了解和規(guī)劃,這實(shí)際上是對(duì)設(shè)計(jì)者本身的基礎(chǔ)素質(zhì)提出了更高的要求。其橫梁和側(cè)梁內(nèi)部筋板的幾何形狀和位置見圖3。

圖3 橫梁和側(cè)梁內(nèi)部筋板的幾何形狀和位置

1.4 附件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

對(duì)構(gòu)架上布置的吊座、拉桿座、彈簧座等附件的設(shè)計(jì),既考慮這些附件本身的受力特點(diǎn)和應(yīng)力分布的均勻性,又考慮到對(duì)構(gòu)架整體剛度的協(xié)調(diào)性。所以這些附件的幾何形狀都比較復(fù)雜,每個(gè)尺寸、每個(gè)圓弧、每個(gè)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)思想都很明確,并且都能表現(xiàn)出設(shè)計(jì)者深厚堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)功底。其指導(dǎo)思想是在保證附件本身具有足夠強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,又能使得自身的能量得到釋放,以便最大限度的減少應(yīng)力集中。附件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)舉例詳見圖4。

1.5 仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

不論是構(gòu)架的主體結(jié)構(gòu)還是微小的附件設(shè)計(jì),都要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的仿真分析或常規(guī)的理論計(jì)算驗(yàn)證。這就從根本上避免了設(shè)計(jì)的盲目性,減少設(shè)計(jì)誤差。該構(gòu)架在極限承重的情況下,作出完整的施工設(shè)計(jì),順利的通過嚴(yán)格的靜強(qiáng)度和疲勞循環(huán)載荷試驗(yàn)考核,這完全是依靠結(jié)構(gòu)仿真分析的引導(dǎo)。同時(shí)在對(duì)設(shè)計(jì)方案的每次改進(jìn)時(shí),也都嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)流程,對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),做到有理有據(jù),在仿真分析中重點(diǎn)關(guān)注焊縫部位的應(yīng)力水平和抵抗疲勞損壞的能力。這些仿真分析中所施加的載荷以及評(píng)價(jià)方法都是采用歐洲、德國標(biāo)準(zhǔn)和合作方的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也參考鐵標(biāo),選取這些標(biāo)準(zhǔn)中比較苛刻的載荷條件,對(duì)構(gòu)架進(jìn)行仿真分析,并根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)參考德國DV952標(biāo)準(zhǔn)中的Moore—Commer—Jasper疲勞評(píng)價(jià)曲線,詳見圖5。

2 靜強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)考核

該構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)是由中國鐵道科學(xué)研究院主持試驗(yàn)。構(gòu)架加載試驗(yàn)的圖片見圖6。是有試驗(yàn)記錄以來最嚴(yán)格的。構(gòu)架的試驗(yàn)大綱是合作方自行擬寫的,其試驗(yàn)工況、各載荷的計(jì)算方法和數(shù)值、每一載荷的加載位置、加載方法、加載的反作用力測(cè)試等,都有詳細(xì)規(guī)定,同時(shí)構(gòu)架上每一個(gè)附件均都必須加載試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)大綱長達(dá)110多頁,詳細(xì)的說明保證每一步試驗(yàn)都不會(huì)出現(xiàn)偏差。

對(duì)構(gòu)架上應(yīng)變片位置的布置,完全是根據(jù)仿真計(jì)算分析的結(jié)果決定,同時(shí)在每進(jìn)行一個(gè)試驗(yàn)工況取得數(shù)據(jù)后,設(shè)計(jì)計(jì)算分析人員現(xiàn)場(chǎng)立即與仿真計(jì)算分析的結(jié)果進(jìn)行比較,以便及時(shí)調(diào)整加載方式或者檢查仿真分析模型。

不僅該構(gòu)架順利通過了各工況的靜載荷試驗(yàn),同時(shí)也順利通過1 200萬次的循環(huán)載荷疲勞試驗(yàn),超過鐵標(biāo)要求200萬次。這過程中先后共進(jìn)行了5次整體探傷檢查,均未發(fā)現(xiàn)任何問題。

3 線路運(yùn)行情況

HXN3機(jī)車配屬在沈陽鐵路局通遼機(jī)務(wù)段,主要承擔(dān)霍林河煤礦的運(yùn)煤等任務(wù),多機(jī)牽引超過1萬t,先期的機(jī)車已運(yùn)行了22萬km,到目前為止機(jī)車總體運(yùn)行狀態(tài)良好,該車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主體沒發(fā)現(xiàn)任何問題。

4 結(jié)束語

4.1 設(shè)計(jì)理念和技術(shù)思想的借鑒

(1)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)流程和技術(shù)規(guī)范,不受其他因素的支配和干擾;(2)進(jìn)度和質(zhì)量的關(guān)系,以質(zhì)量為主;(3)注重設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),落實(shí)在每一項(xiàng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中;(4)注重仿真分析,每一項(xiàng)設(shè)計(jì)方案都必須經(jīng)過仿真分析和優(yōu)化;(5)每一項(xiàng)設(shè)計(jì)方案的改動(dòng),也必須經(jīng)過理論分析驗(yàn)證;(6)技術(shù)問題的分析都遵循統(tǒng)一的模式:①問題的現(xiàn)狀;②原因分析;③對(duì)原因分析的理論計(jì)算驗(yàn)證;④采取的技術(shù)改進(jìn)方案;⑤改進(jìn)方案的計(jì)算說明;⑥結(jié)論?？傊?做到每件事的處理都有根有據(jù)。(7)注重基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和知識(shí)的積累,建立企業(yè)自己的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

4.2 未解決的問題

HXN3機(jī)車在投入營運(yùn)的過程中,曾出現(xiàn)過掃石器、車梯子裂紋問題,在部件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)掃石器、梯子等都曾作過仿真計(jì)算分析,分析中參照英國GMRT 2100標(biāo)準(zhǔn)確定載荷工況。表2列出了英國GMRT 2100標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的轉(zhuǎn)向架安裝部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的慣性力規(guī)范值。

表2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度慣性力規(guī)范值

對(duì)掃石器計(jì)算的結(jié)果表明:靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。合作雙方對(duì)部件的仿真計(jì)算數(shù)據(jù)和結(jié)論基本一致,但在運(yùn)行中機(jī)車還是出現(xiàn)問題,盡管合作雙方都認(rèn)為設(shè)計(jì)方案是經(jīng)過仿真計(jì)算論證過的,并且生產(chǎn)過程是經(jīng)過雙方共同嚴(yán)格檢查并認(rèn)為是合格的。另外,掃石器裂紋問題在HXD3、HXN3以及其他和諧機(jī)車都曾發(fā)生過。

因此提出下列問題,所采用的計(jì)算載荷標(biāo)準(zhǔn)是否與機(jī)車運(yùn)用的實(shí)際情況相差很大?車下的懸臂吊掛裝置的振動(dòng)疲勞問題是否需要從新審視?對(duì)這些問題還需要通過動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)和理論分析加以研究。