曾艷梅, 高升輝, 喻佳文
(南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司技術(shù)中心,湖南株洲412001)
機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架牽引裝置是連接轉(zhuǎn)向架與車(chē)體的重要部件,傳遞輪軌間相互作用產(chǎn)生的牽引力和制動(dòng)裝置產(chǎn)生的制動(dòng)力。牽引裝置既要保證機(jī)車(chē)正常運(yùn)行時(shí)不對(duì)轉(zhuǎn)向架與車(chē)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成干涉,同時(shí)也要適應(yīng)機(jī)車(chē)曲線通過(guò)時(shí)車(chē)體相對(duì)轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)角。
牽引裝置(一)主要由牽引桿1、牽引桿2、三角撐桿3和銷(xiāo)軸4等組成,如圖1所示。牽引桿1水平布置在牽引電機(jī)下方,兩端通過(guò)銷(xiāo)軸分別與構(gòu)架牽引梁和三角撐桿相連;牽引桿2為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),呈傾斜狀態(tài),連接車(chē)體牽引座的一端高于連接三角撐桿的一端,牽引桿2兩端裝有橡膠關(guān)節(jié)以適應(yīng)機(jī)車(chē)車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),同時(shí)起到吸振降噪的作用;三角撐桿通過(guò)兩支座吊掛在構(gòu)架前端梁上。
圖1 機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架牽引裝置(一)
牽引裝置(二)主要由單牽引桿和壓裝在牽引桿端部的橡膠關(guān)節(jié)組成。牽引桿采用箱形焊接結(jié)構(gòu),并在梁體中間布置有筋板以獲得足夠的強(qiáng)度和剛度。為了降低牽引點(diǎn)的高度以獲得較高的黏著重量利用率,牽引桿從牽引電機(jī)下部通過(guò),同時(shí)為了保證機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)牽引裝置與牽引電機(jī)之間有足夠的間隙,牽引桿采用折彎的結(jié)構(gòu),如圖2所示。
圖2 機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架牽引裝置(二)
利用ANSYS軟件分別建立有限元分析模型,并采用相同的載荷條件,即牽引裝置在承受轉(zhuǎn)向架5g載荷沖擊下,對(duì)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
三角撐桿由撐桿及三角撐桿體兩部分組焊而成,撐桿由16MnDR鍛造而成,三角撐桿體則由ZG20SiMn鑄造而成,其性能指標(biāo)見(jiàn)表1,應(yīng)力云圖如圖3。
表1 三角撐桿的機(jī)械性能 MPa
圖3 三角撐桿有限元分析
由圖3可知,三角撐桿計(jì)算最大應(yīng)力為476 MPa,滿足材料抗拉強(qiáng)度極限。
牽引桿1和牽引桿2都采用鍛件,材料為42CrMo,其性能指標(biāo)見(jiàn)表2,應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示。
表2 42CrMo機(jī)械性能MPa
由圖4和圖5可知,牽引桿1計(jì)算最大應(yīng)力為641 MPa,牽引桿2計(jì)算最大應(yīng)力為496 MPa,因此,牽引桿1和牽引桿2都滿足材料抗拉極限強(qiáng)度。
車(chē)體牽引座采用鍛件,材料為C級(jí)鋼,其性能指標(biāo)見(jiàn)表3,應(yīng)力云圖如圖6。
圖4 牽引桿1有限元分析
圖5 牽引桿2有限元分析
表3 C級(jí)鋼機(jī)械性能MPa
圖6 車(chē)體牽引座有限元分析
由圖6可知,車(chē)體牽引座計(jì)算最大應(yīng)力為568MPa,滿足材料抗拉極限強(qiáng)度。
單牽引桿全部由16MnDR鋼板組焊而成。根據(jù)GB 3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》、《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》以及國(guó)際焊接學(xué)會(huì)《焊接接頭與部件的疲勞設(shè)計(jì)》,其材料的機(jī)械性能見(jiàn)表4,應(yīng)力云圖如圖7。
表416MnDR的機(jī)械性能 MPa
圖7 單牽引桿有限元分析
由圖7可知,單牽引桿計(jì)算最大應(yīng)力為356 MPa,滿足材料抗拉極限強(qiáng)度。
牽引桿的兩端裝有關(guān)節(jié),為了安全,穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)將牽引桿兩端定位方式簡(jiǎn)化為鉸支結(jié)構(gòu),其壓桿失穩(wěn)的臨界載荷計(jì)算式為
式中:Pcr為壓桿失穩(wěn)臨界載荷;L為壓桿兩端鉸支點(diǎn)的中心距;Ix為截面慣性矩;E為材料彈性模量。
計(jì)算得出牽引桿的臨界載荷Pcr1=2 343 kN,Pcr2=2 912 kN。每轉(zhuǎn)向架的啟動(dòng)牽引力Fqql=285 kN。每轉(zhuǎn)向架的最大沖擊力(5g)為 Fcj=5×30×9.81=1 471.5 kN。
由計(jì)算結(jié)果可以看出,牽引桿1和牽引桿2的失穩(wěn)臨界載荷大于其承擔(dān)的最大沖擊載荷1 471.5 kN,因此牽引桿1和牽引桿2是穩(wěn)定的。
如圖8所示,穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)將牽引桿兩端定位方式同樣簡(jiǎn)化為鉸支結(jié)構(gòu),在受到軸向力F作用時(shí),還受到橫向力Q的作用。
圖8 牽引桿受力分析圖
單牽引桿橫截面的最小慣性矩:
單牽引桿橫截面面積
轉(zhuǎn)向架5g沖擊下,單牽引桿受力情況如下:
軸向力 F=5Mbg×cosβ=5×29 850×9.81×cos1.5°=1 463.64 kN;
橫向力 Q=5Mbg×sinβ+5Mbg×cosβ×tanα=5×29 850×9.81×sin1.5°+5×29 850×9.81×cos1.5°×tan1.7°=81.77 kN。
根據(jù)《材料力學(xué)》[4]可知:
單牽引桿中最大應(yīng)力為σmax=F/A+Mmax/W=1.79×108Pa;
單牽引桿所受最大壓力為 Pmax=σmax×A=1.79×108×8.19×10-3×10-3=1 463.64 kN;
可用歐拉公式計(jì)算該牽引桿的臨界壓力,其失穩(wěn)臨界壓力為Pcr=π2EI/(μL)2=3.141 592×2.1×1011×1.79×10-5÷[(1×3.559)2×103]=2 934.37 kN。
綜上所述,牽引桿在轉(zhuǎn)向架5g工況下穩(wěn)定性安全系數(shù)為
因此單牽引桿滿足壓桿穩(wěn)定性要求。
文中兩種牽引裝置其車(chē)體端和構(gòu)架端具有相同的高度,結(jié)構(gòu)上存在差異,經(jīng)過(guò)計(jì)算可知,兩種牽引裝置其強(qiáng)度和穩(wěn)定性都滿足要求。因結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致兩種牽引裝置名義牽引點(diǎn)高度不同,因而機(jī)車(chē)黏著重量利用率各異,且牽引裝置(一)的黏著重量利用率要高于牽引裝置(二),但后者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)和制造成本低,維護(hù)方便??傊瑥臋C(jī)車(chē)黏著重量利用率的角度出發(fā),建議采用低牽引點(diǎn)高度的牽引裝置(一),只有在滿足機(jī)車(chē)黏著重量利用率的前提下,才選用牽引裝置(二)的結(jié)構(gòu)。
[1] 陳清明,陳喜紅,周建斌,等.HXD1B型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛,2011,34(4):4-8.
[2] 鄒文輝,陳國(guó)勝,周建斌.大功率客運(yùn)機(jī)車(chē)輪對(duì)結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點(diǎn)[J[.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛,2011,31(1):82-85.
[3[ 曾艷梅,陶功安,羅華軍.ZMA120型地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛,2010,33(1):14-17.
[4] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].3版.北京:高等教育出版社,1992.