動車組風(fēng)缸吊帶結(jié)構(gòu)更改的研究

朱立強(qiáng)，郭小行，劉中華

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山063035)

動車組風(fēng)缸吊帶結(jié)構(gòu)更改的研究

朱立強(qiáng)，郭小行，劉中華

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山063035)

動車組的風(fēng)缸吊帶及吊卡的穩(wěn)定關(guān)乎到列車的安全以及正常的運(yùn)營秩序，因此針對武廣線發(fā)生的風(fēng)缸吊帶及吊卡的斷裂情況展開了大量的研究，提出了4種更改方案，做了校核計算并且做了動應(yīng)力測試，確定了較優(yōu)方案。

風(fēng)缸吊帶;吊卡;疲勞斷裂;動應(yīng)力

2010年7月在廣州售后服務(wù)站，售后工作人員做動車組例行入庫檢驗(yàn)，當(dāng)檢查到風(fēng)缸模塊時發(fā)現(xiàn)了一起廢排風(fēng)缸吊帶斷裂的事件，制動缸風(fēng)缸吊帶從風(fēng)缸上部位置處發(fā)生斷裂，制動缸風(fēng)缸吊卡也出現(xiàn)了裂紋。隨后對多列車進(jìn)行了檢查，檢查中又發(fā)現(xiàn)多起風(fēng)缸吊帶出現(xiàn)裂紋或斷裂的情況，且?guī)缀跛械蹩鸭y或斷裂位置均發(fā)生在吊卡折彎處根部或者折彎處附近。

風(fēng)缸吊帶是固定風(fēng)缸的重要部件，它的斷裂將會導(dǎo)致風(fēng)缸脫落，從而造成列車緊急制動停車，影響列車的運(yùn)營秩序，甚至?xí)斐绍嚉送龅奈ｋU。故對此問題我們進(jìn)行了詳細(xì)研究。首先，組織售后服務(wù)中心對所有運(yùn)營車輛進(jìn)行普查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)吊卡和吊帶出現(xiàn)裂紋或斷裂的動車組共有20列，全部發(fā)生在武廣線運(yùn)營的動車組上，京津線和滬寧線尚未發(fā)現(xiàn)該問題。吊卡和吊帶發(fā)生裂紋或斷裂的動車組數(shù)量占武廣線所有運(yùn)營動車組總數(shù)(總共40列)的50%，具體如圖1所示。

圖1 問題列車裂紋或斷裂數(shù)量統(tǒng)計

吊卡和吊帶發(fā)生裂紋時列車運(yùn)營里程基本在30萬km左右，且主要集中在TC02、TC07車和IC03、IC06車，其中TC02、TC07車約占出現(xiàn)問題總數(shù)的30%，而IC03、IC06車約占出現(xiàn)問題總數(shù)的70%，TC02、TC07車和IC03、IC06車風(fēng)缸模塊結(jié)構(gòu)相同，均是由2個125 dm3的風(fēng)缸和1個100 dm3的風(fēng)缸組成，且100 dm3風(fēng)缸位于外側(cè)，發(fā)生裂紋及斷裂的吊帶均位于該風(fēng)缸上。

1 風(fēng)缸吊卡裂紋發(fā)生原因分析

CRH3動車組制動風(fēng)缸單元在運(yùn)營過程中主要受到振動沖擊和空氣動力學(xué)載荷影響，振動沖擊和空氣動力學(xué)載荷都直接作用在制動風(fēng)缸上，如圖2所示。

圖2 制動風(fēng)缸單元承受載荷示意圖

從受力特點(diǎn)上來講，動車組過隧道及在隧道內(nèi)交會時，車體側(cè)面承受較大的交變空氣動力學(xué)載荷作用(±6 kPa)，使得車體橫向左右擺動，而制動風(fēng)缸是通過吊卡和吊帶固定在制動風(fēng)缸吊架上，當(dāng)車體橫向擺動時，制動風(fēng)缸吊架將隨車體一起擺動，而制動風(fēng)缸則是通過固定在制動風(fēng)缸吊架上的吊帶和吊卡帶動其橫向擺動，因而存在動作滯后現(xiàn)象，在車體橫向擺動的過程中制動風(fēng)缸與吊卡和吊帶的連接處將承受這種不協(xié)調(diào)的作用力;另外吊卡在吊卡與吊帶連接處為壓彎部位，吊卡材質(zhì)為不銹鋼材質(zhì)，壓彎后沒有經(jīng)過熱處理等工藝處理，因而該部位存在殘余應(yīng)力現(xiàn)象，是整個吊卡中的薄弱環(huán)節(jié)，該部位承受橫向沖擊疲勞載荷下將最先出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂。

由此可知造成吊卡和吊帶產(chǎn)生裂紋或斷裂的主要因素是動車組過隧道及在隧道內(nèi)交會時風(fēng)缸承受的空氣動力學(xué)載荷，由于京津線和滬寧線基本沒有隧道，因此沒有出現(xiàn)風(fēng)缸吊帶斷裂的情況。

2 風(fēng)缸吊帶優(yōu)化方案設(shè)計及仿真計算分析

風(fēng)缸吊帶作為固定風(fēng)缸的重要部件，它的斷裂將會導(dǎo)致風(fēng)缸脫落，對列車的運(yùn)營安全有重要的影響，因此，對風(fēng)缸吊帶的結(jié)構(gòu)展開了研究并提出解決方案。

2.1 技術(shù)路線

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，得到如圖3所示的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程:

圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程

為了解決風(fēng)缸吊卡及吊帶斷裂的情況，先后設(shè)計了4種方案并參考EN 12663標(biāo)準(zhǔn)《鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》進(jìn)行了各種工況下的有限元分析計算。

2.2 優(yōu)化方案1

在原方案(吊帶穿過吊座，在風(fēng)缸下方緊固)的基礎(chǔ)上，為了消除吊帶的應(yīng)力集中，對吊帶方式進(jìn)行了更改，將原來的風(fēng)缸吊帶緊固方式由在風(fēng)缸下方緊固改成采用U型吊帶，在風(fēng)缸的上方吊架處緊固。對該方案進(jìn)行了有限元分析計算，結(jié)果表明最高應(yīng)力數(shù)值相對于原始結(jié)構(gòu)下降較明顯。該結(jié)構(gòu)雖消除了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是不便于風(fēng)缸拆解，給維護(hù)工作帶來了困難。

2.3 優(yōu)化方案2

由于前1種方案不便于風(fēng)缸拆解，設(shè)計了第2種方案即支架連接固定方案，將風(fēng)缸的吊裝方式改為拖裝方式，該方案通過8個螺栓連接將風(fēng)缸上下像夾鉗一樣夾住，并在廢排單元下部進(jìn)行固定。對該方案進(jìn)行了有限元分析計算，結(jié)果該結(jié)構(gòu)廢排支架焊縫根部及螺栓孔邊緣應(yīng)力較大。

2.4 優(yōu)化方案3

在方案1的基礎(chǔ)上提出了第3種方案:U型吊帶+支架固定，該方案是把原來的吊帶改為U型吊帶，同時加裝了支撐梁，并對該方案進(jìn)行了計算，最高應(yīng)力點(diǎn)位置由吊卡筋板轉(zhuǎn)移至吊卡螺栓孔，導(dǎo)致吊卡應(yīng)力增大。此方案在公司內(nèi)現(xiàn)車上進(jìn)行了試裝，但由于下部為虛支撐結(jié)構(gòu)，如果安裝不當(dāng)，容易造成上部風(fēng)缸吊帶產(chǎn)生安裝應(yīng)力。

2.5 優(yōu)化方案4

為了減小風(fēng)缸吊帶受橫向載荷的影響，以及方便操作及節(jié)約成本，在風(fēng)缸吊帶下部增加連接機(jī)構(gòu)，故提出了方案4，該結(jié)構(gòu)是在原來吊帶螺栓上加裝拉桿，將拉桿穿過支撐梁上，兩邊用螺母固定，使得風(fēng)缸不再來回擺動。對該方案進(jìn)行了有限元分析計算。

計算載荷及計算工況如表1所示。

表1 計算載荷及計算工況

通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可以得出以下結(jié)論:

(1)在工況1～4下，吊卡的最大應(yīng)力分別由108.5，60.6，115.0，205.5 MPa降低至 76.6，18.7，77.1，122.8 MPa，分別降低了29.4%，69.1%，33.0%，40.2%。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)使吊卡在工況1～4下的最大應(yīng)力明顯降低。相應(yīng)結(jié)果如表2所示。

表2 吊卡應(yīng)力優(yōu)化數(shù)值表

(2)由于更改結(jié)構(gòu)后，改變了力的傳遞路徑，使風(fēng)缸吊帶的應(yīng)力增大較明顯，在工況1～4下最大應(yīng)力值由27.9，10.1，22.2，48.6，0.46 MPa增大至33.9，22.3，120.5，132.6，81.4 MPa。相應(yīng)結(jié)果如表3所示。

表3 吊帶應(yīng)力優(yōu)化數(shù)值表

(3)通過對比原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后方案的計算結(jié)果，可以看出:

吊卡應(yīng)力:在上述4種工況下，優(yōu)化后方案吊卡上最大應(yīng)力較原結(jié)構(gòu)有所降低;對吊卡的壽命延長有利。

吊帶應(yīng)力:與原結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后方案更改結(jié)構(gòu)后，由于改變了力的傳遞路徑，在上述4種工況下，使風(fēng)缸吊帶的最大應(yīng)力較原方案均有明顯增大。

結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)吊卡下應(yīng)力情況得到了很大改善，可以有效的減少吊卡的應(yīng)力，提高吊卡的壽命。由于吊帶采用柔性結(jié)構(gòu)，應(yīng)力的增加對吊帶的影響較小，故整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所增加，基本達(dá)到了改進(jìn)的目的。

3 優(yōu)化方案線路動應(yīng)力試驗(yàn)

從結(jié)構(gòu)工藝實(shí)現(xiàn)難易角度及現(xiàn)場更改難易程度上進(jìn)行分析考慮，通過方案對比篩選，最終選擇了優(yōu)化方案4，對原來的方案和優(yōu)化方案4均進(jìn)行了線路動應(yīng)力測試。通過相應(yīng)分析結(jié)果確定測點(diǎn)布置，主要測點(diǎn)分布在風(fēng)缸吊座中吊帶穿過的部位、風(fēng)缸吊帶與吊座接觸的部位、支撐梁等。

為了對結(jié)構(gòu)疲勞可靠性進(jìn)行評估，研究采用國際上通用的雨流計數(shù)法進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)的循環(huán)計數(shù)處理，并分別編制了上述各大應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力譜。對于車輛結(jié)構(gòu)而言，通常取8級應(yīng)力譜便可足夠可靠地反映實(shí)際的動應(yīng)力歷程。

依據(jù)8級應(yīng)力譜，等效應(yīng)力計算采用Miner線性疲勞累計損傷法則和NASA針對變幅加載條件所推薦的S－N曲線形式計算等效應(yīng)力幅，采用這一方法可使各級應(yīng)力水平產(chǎn)生的損傷均得到合理的考慮。計算時按照式(1)進(jìn)行。其中L是列車總運(yùn)營里程;L1是試驗(yàn)測試?yán)锍?，L1= 8 141 km，σ－lai表示應(yīng)力幅值MPa;N表示疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)。

計算等效應(yīng)力時鋁合金焊接材料的材料常數(shù)m= 3，疲勞循環(huán)次數(shù)選1 000萬次;此外，風(fēng)缸吊帶的材料為不銹鋼，測點(diǎn)為母材，故選取材料常熟m=6.5，疲勞循環(huán)次數(shù)選1 000萬次。

各測試應(yīng)力最值如下:7車(原結(jié)構(gòu))全程等效應(yīng)力值應(yīng)力值如表4所示，7車(優(yōu)化后結(jié)構(gòu))全程等效應(yīng)力值如表5所示。

表4 7車測點(diǎn)全程應(yīng)力值(原結(jié)構(gòu)) MPa

表5 7車測點(diǎn)全程應(yīng)力值(優(yōu)化后結(jié)構(gòu)) MPa

通過對原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后方案的測試結(jié)果分析，風(fēng)缸新增加的橫梁端頭焊縫最大等效應(yīng)力為8.61 MPa，風(fēng)缸吊卡最大等效應(yīng)力為12.88 MPa，該部位的等效應(yīng)力與原結(jié)構(gòu)測試結(jié)果相比，下降約86%。根據(jù)北京交通大學(xué)的建議，該方案可行。

4 結(jié)束語

經(jīng)過以上方案的對比分析，第4種方案即原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加橫向固定方案，對風(fēng)缸吊帶及吊座的受力情況有明顯的改善，而且更改方便快捷、成本最低。目前公司生產(chǎn)的CRH3C、CRH380BL、CRH380－002型動車組的風(fēng)缸結(jié)構(gòu)均已經(jīng)更改完畢，最長的已經(jīng)運(yùn)行了將近3年，尚未發(fā)現(xiàn)風(fēng)缸吊卡和吊帶產(chǎn)生裂紋及斷裂的情況，實(shí)際運(yùn)用結(jié)果證明該方案比較合理，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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Investigation of High-speed EMU Reservoir Gallus Improving

ZHU Liqiang，GUO Xiaohang，LIU Zhonghua
(R＆D Center Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China)

The stability of air reservoir＇s hinge band and hinge console clamp of EMU is very related to the safety and normal operation order of the EMU，Aiming at the circumstance of Wu Han-GuangZhou High-speed Railways，doing a lot of research for the air reservoir＇s hinge band and hinge console clamp＇s fatigue fracture has been done.This paper puts forward four kinds of change plan，and the author has done the check calculation and the dynamic stress tests to determine the optimal scheme.

wind cylinder condole;lift sub;fatigue fracture;dynamic stress

U266.2.331+7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.22

1008－7842(2015)02－0090－04

2—)男，工程師(

2014－10－17)