380km／h動車組用抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)的研制

呂士勇，劉文松，程海濤，郭春杰，崔志國

（1 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；2 南車四方機車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東青島266111）

380km／h動車組包括8輛和16輛兩種編組方式，動力分散驅(qū)動；轉(zhuǎn)向架為無搖枕結(jié)構(gòu)，二系懸掛包括抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)、空氣彈簧、抗蛇行減振器、油壓減振器、中心牽引裝置和橫向止擋等。

車輛高速通過曲線和道岔或靜置停放在設(shè)置超高的曲線上時，側(cè)滾增加明顯，一側(cè)輪重減載，遇到強橫向風時，甚至出現(xiàn)傾覆失穩(wěn)情況，降低安全性。需要增加車輛的側(cè)滾剛度以限制其側(cè)滾角，但又不能影響車輛的浮沉、橫擺、搖頭、伸縮和點頭等振動特性。采用抗側(cè)滾扭桿裝置是較好的解決方案［1－2］。

1 380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿裝置的設(shè)計思路

根據(jù)某型380km／h動車組對抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)的要求，株洲時代新材料科技股份有限公司（以下簡稱時代新材）進行了全面分析，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料選取、工藝處理、無損檢測、系統(tǒng)裝配、型式試驗按照EN標準進行，形成了末端鐓粗、表面強化、浮動磨削工藝，開發(fā)出了齒形連接、過盈連接、整體鍛造等主要形式的抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)，關(guān)節(jié)采用橡膠節(jié)點或金屬球關(guān)節(jié)。安裝空間、接口、尺寸等結(jié)構(gòu)設(shè)計，扭桿軸與扭轉(zhuǎn)臂花鍵過盈連接；扭桿軸、連桿、扭轉(zhuǎn)臂、軸承座、連桿座采用歐洲標準或美洲標準材料；扭桿軸采用端部鐓粗、表面噴丸強化工藝；扭轉(zhuǎn)臂采用鍛造工藝，與扭桿軸裝配時100%選配并進行最小過盈力測試；連桿體采用鍛造工藝，與上關(guān)節(jié)軸過盈連接，與下關(guān)節(jié)軸采用螺紋連接；連桿座采用整體鍛造后加工成型，軸承座采用鑄造后加工成型。

確立的主要技術(shù)特點包括：（1）扭桿軸、扭轉(zhuǎn)臂之間采用花鍵過盈連接；（2）垂向連桿與連桿座之間、垂向連桿與扭轉(zhuǎn)臂之間均通過橡膠節(jié)點連接。上部橡膠節(jié)點最大扭轉(zhuǎn)角±6．0°，下部橡膠節(jié)點最大扭轉(zhuǎn)角±5．7°；（3）垂向連桿由上下桿體通過螺紋連接而成，長度可調(diào)，鎖緊方式為螺母加上止動墊片；（4）軸承座組成由支撐座和滑動軸承組成，扭桿軸安裝在滑動軸承內(nèi)，兩者為間隙配合?？傃b圖如圖1所示。

關(guān)鍵項目點包括：（1）抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)整體剛度；（2）扭桿軸與扭轉(zhuǎn)臂裝配壓入力；（3）抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)疲勞性能；（4）扭桿軸與扭轉(zhuǎn)臂的裝配穩(wěn)定性。

圖1 某型380km／h型動車組抗側(cè)滾扭桿總裝圖

2 380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿裝置工作原理

某型380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)安裝于車體、轉(zhuǎn)向架之間，利用扭桿軸受扭矩作用產(chǎn)生變形而提供抗扭轉(zhuǎn)反力矩。動作原理如圖2所示，圖中M為車體，E、F為扭桿支撐座組成，安裝于構(gòu)架上，A、B、C、D為橡膠球鉸，可在3個方向轉(zhuǎn)動。由圖可見，如果不考慮相對于系統(tǒng)剛度小得多的軸承座組成和橡膠關(guān)節(jié)的影響，當車體相對于轉(zhuǎn)向架浮沉振動時，兩根連桿同時往一個方向運動，整個裝置繞支撐球鉸同時轉(zhuǎn)動，扭桿軸并不承受載荷，故不影響車體的浮沉振動，對除側(cè)滾以外的其他幾個運動同樣不提供任何附加的力或扭矩。而當車體與構(gòu)架之間發(fā)生繞X 軸的相對轉(zhuǎn)動即側(cè)滾時，左右連桿向相反的方向上下運動，通過扭臂（圖中FD、EC）使扭桿軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，扭桿軸由于彈性而產(chǎn)生反力矩，反力矩作用在垂向連桿上表現(xiàn)為一對大小相等方向相反的垂向力，而這對垂向力作用在車體上就形成了與車體側(cè)滾方向相反的抗側(cè)滾力矩，阻止車體相對于轉(zhuǎn)向架側(cè)滾，提高車輛的安全性。

圖2 抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)工作原理

3 380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿裝置受力分析

380km／h動車組扭桿系統(tǒng)受力分析如圖3（a）所示。試驗機（或車體）通過上部橡膠節(jié)點對連桿施加載荷F1，再經(jīng)連桿和扭桿臂的力傳遞作用使扭桿軸承受扭矩T2，通過扭桿軸良好的扭轉(zhuǎn)變形回彈特性來調(diào)節(jié)F1的變化，從而滿足車體抗側(cè)滾要求。

圖3 扭桿系統(tǒng)受力分析

4 380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿剛度計算

當車體側(cè)滾α時，設(shè)垂向連桿上的作用力為N，扭桿系統(tǒng)對車體作用的力矩TZ為

垂向連桿作用力N與扭桿扭轉(zhuǎn)角β的關(guān)系

M1為扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度；扭桿扭轉(zhuǎn)角β與車體側(cè)滾角α之間的幾何關(guān)系

由（1），（2），（3），（4）式求得作用于車體的扭矩TZ為：

扭桿系統(tǒng)對于車體的扭轉(zhuǎn)剛度M2（k N·m／rad）

將抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)參數(shù)帶入以上公式，求得系統(tǒng)抗側(cè)滾剛度隨車體側(cè)滾角度的變化曲線如圖4，該型號380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)剛度為1．1 MN·m／rad。

圖4 某型380km／h動車組車體側(cè)滾剛度隨車體側(cè)滾角度的變化曲線

5 380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿主要生產(chǎn)工藝

扭桿組件材料見表1，扭桿軸材料52Cr Mo V4、左右扭轉(zhuǎn)臂的原材料42Cr Mo已被廣泛應用于歐洲鐵路的同類產(chǎn)品，其中為阿爾斯通開發(fā)的歐洲高速鐵路TGV抗側(cè)滾扭桿項目亦采用此材料。

扭桿軸采用端部鐓粗工藝，表面進行噴丸處理；扭轉(zhuǎn)臂采用鍛造工藝。扭桿軸與扭轉(zhuǎn)臂裝配時100%進行選配，并100%進行最小過盈力測試。圖5為制造工藝流程圖，圖6為過應力檢測裝置。

表1 扭桿關(guān)鍵部件原材料對比

圖5 扭桿組件工藝流程圖（扭桿組件）

圖6 扭桿組件過盈力檢測示意圖

6 380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿強度分析

在確定某型380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿各項性能參數(shù)時，時代新材結(jié)合近年來為龐巴迪、阿爾斯通等公司開發(fā)的類似結(jié)構(gòu)抗側(cè)滾扭桿經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進行了詳細的有限元計算分析，實現(xiàn)了其抗側(cè)滾能力與原型抗側(cè)滾扭桿一致，外形尺寸符合技術(shù)規(guī)范要求。根據(jù)380km／h動車組對抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)的要求，在21．6 k N的疲勞載荷作用下，扭桿按第3強度理論的最大SINT應力為559．994 MPa＜［σ］＝1 300 MPa；扭桿桿身的最大剪應力為279．619 MPa＜［τ］＝745 MPa；扭臂的最大von＿Mises應力為432．222 MPa＜［σ］＝650 MPa。因此，扭桿和扭臂的靜強度均滿足設(shè)計要求；該扭桿系統(tǒng)其他金屬部件亦均滿足靜強度設(shè)計要求。應力分析云圖見圖7。

在強化疲勞試驗的載荷值和載荷循環(huán)次數(shù)下，扭桿軸的最短疲勞壽命達到了1 000萬次以上的無限壽命，最大應力出現(xiàn)在靠近退刀槽的花鍵齒根區(qū)域；最大應力扭轉(zhuǎn)臂的最短疲勞壽命達到了1 000萬次以上的無限壽命，出現(xiàn)在花鍵齒的中部區(qū)域。該扭桿系統(tǒng)其他金屬部件均達到了1 000萬次以上的疲勞設(shè)計要求。

圖7 在21．6 kN工作載荷下各零部件應力云圖

7 380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿型式試驗

按照型式試驗大綱的要求，對某型380km／h抗側(cè)滾扭桿進行了各項性能試驗，結(jié)果表明，該型號380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿的各項性能指標均符合技術(shù)規(guī)范要求。

7．1 380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿剛度試驗

在連桿裝置處垂向載荷Fz＝0～±20 k N，檢測連桿垂向位移。反復3次，分別記錄載荷位移曲線。每次加載時間間隔：不少于20 min。

剛度計算

K 為剛性系數(shù)（k N／mm），K＝（K1＋K2＋K3＋K4）／4；K1＝Fz／S，在載荷0～20 k N時；K2＝Fz／S，在載荷20～0 k N時；K3＝Fz／S，在載荷0～－20 k N時；K4＝Fz／S，在載荷－20～0 k N時。

C為整體剛度，C＝KL2；其中L＝1．48 m；載荷位移曲線如圖8。380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)整體剛度試驗結(jié)果為1．06 MN·m／rad，完全符合設(shè)計要求。

圖8 380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿整體剛度載荷—位移曲線

7．2 380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿疲勞試驗

按照型式試驗大綱的要求，完成1 000萬次疲勞試驗，加載工況列于表2，各項試驗結(jié)果均符合技術(shù)要求。疲勞試驗后對扭桿系統(tǒng)進行探傷檢測，無任何裂紋出現(xiàn)。

表2 疲勞試驗要求

8 結(jié)束語

采用成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計模式進行了某380km／h動車組抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)，并對系統(tǒng)進行了有限元計算分析，結(jié)果表明，各部件的最大應力遠小于許用應力，強度滿足要求；其結(jié)構(gòu)、剛度、強度及制作工藝等要求完全滿足該型號380km／h動車組車輛的運用要求。

經(jīng)過1 000萬次疲勞試驗，抗側(cè)滾扭桿裝置未發(fā)生任何問題。

［1］劉文松，郭春杰．符合法鐵標準的抗側(cè)滾扭桿軸的工藝研制［J］．鐵道車輛，2007，7（45）：10－13．

［2］M．Cerit，E．Nart，K．Genel．Investigation into effect of rubber bushing on stress distribution and fatigue behavior of anti－roll bar［J］．Engineering Failure Analysis，2010，（17）：1 019－1 027．