一種新型常接觸長行程彈性旁承的研制

劉　波， 李建林， 馮萬盛， 林　勝， 榮繼剛， 程海濤

(株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007)

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一種新型常接觸長行程彈性旁承的研制

劉波， 李建林， 馮萬盛， 林勝， 榮繼剛， 程海濤

(株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007)

對既有貨車彈性旁承進行研究，提出了一種適用于鐵路重載貨車的新型長行程雙作用彈性旁承結構，產(chǎn)品試制表明，該結構能很好地滿足鐵路重載貨車所需彈性旁承的剛度、高低溫性能和疲勞特性的要求，適合在鐵路重載貨車上使用。

重載； 長行程； 旁承； 組合式

隨著我國鐵路客貨運輸?shù)目焖侔l(fā)展，貨車運行速度的不斷提高，對貨車的運行性能也提出了越來越高的要求。為有效抑制車輛的搖頭蛇行運動和側(cè)滾振動，提高貨車高速運行的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，在我國鐵路提速貨車上普遍采用彈性旁承來提供適當?shù)幕剞D(zhuǎn)阻力矩，提高車輛的運行性能[1]。帶滾子的雙作用彈性旁承避免了采用間隙旁承的車輛進入曲線或駛出曲線時，因車體一側(cè)的上旁承和下旁承壓死，使上下旁承間的摩擦力過大，從而導致橫向力過大的問題。正因為常接觸雙作用彈性旁承的良好效果，所以在國內(nèi)、外提速貨車轉(zhuǎn)向架上廣泛采用[2]。

1　常接觸彈性旁承性能參數(shù)和發(fā)展歷程

1.1常接觸彈性旁承的主要性能參數(shù)

鐵路貨車轉(zhuǎn)向架的承載方式主要采用心盤和旁承聯(lián)合承載，其中心盤主要承載車體垂向載荷和傳遞縱向力，彈性旁承的主要作用是提供穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)阻力矩抑制車體的側(cè)翻、側(cè)滾和搖頭等運動。 常接觸彈性旁承在車體落成后產(chǎn)生預定的壓縮量，形成對車體的支撐而承擔一定的載荷。在車輛裝載貨物時，增加的載荷全部由心盤承擔。

常接觸彈性旁承的設計參數(shù)有彈性旁承回轉(zhuǎn)阻力矩M、預壓縮量又稱工作行程S1、預載荷T、旁承間距L、摩擦板的摩擦系數(shù)μ，垂向剛度Kv、縱向剛度K1和旁承間隙S2等[3]。

彈性旁承回轉(zhuǎn)阻力矩M按式(1)計算：

(1)

1.2常接觸彈性旁承的發(fā)展歷程

1.2.1普通行程彈性旁承

我國主型轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)K6裝用JC系列彈性旁承，結構見圖1；轉(zhuǎn)K5裝用BD型彈性旁承，結構見圖2，兩種彈性旁承均屬于常接觸彈性旁承，已經(jīng)批量運用10年以上。兩種彈性旁承的工作行程S1= 9 mm，旁承間隙S2=5 mm,在裝車運行過程中常出現(xiàn)以下問題：彈性旁承在裝車運用一段時間后產(chǎn)品高度變矮，高度的變化直接影響到彈性旁承回轉(zhuǎn)阻力矩M1的變化，高度變矮1 mm,回轉(zhuǎn)阻力矩M變化超過11%。

圖1　JC型彈性旁承體

圖2　BD型彈性旁承體

1.2.2長行程彈性旁承

從式(1)可以看出，彈性旁承回轉(zhuǎn)阻力矩(M)、旁承間距(L)和摩擦系數(shù)(μ)一定的條件下，垂向剛度(Kv)與工作行程(S1)成反比。旁承的工作行程(S1)與彈性旁承的自由高以及心盤高度和下旁承盒高度，以及上旁承的尺寸有關，是一個間接控制尺寸，不易直接測量，往往存在較大的誤差，如果工作行程(S1)比較小，其誤差率將較大，并將隨著旁承摩擦板的磨耗、橡膠彈性旁承的蠕變而變化，將導致旁承回轉(zhuǎn)阻力矩有較大的誤差且不穩(wěn)定。彈性旁承的垂向剛度(Kv)的誤差主要與彈性體材料特性有關，其誤差率相對較小并較好控制，具有較好的穩(wěn)定性。因此，在常接觸彈性旁承的設計中應盡量增大工作行程而降低垂向剛度，以降低彈性旁承回轉(zhuǎn)阻力矩對工作行程的敏感性，提高回轉(zhuǎn)阻力矩的穩(wěn)定性[3]。

近幾年開發(fā)的重載貨車彈性旁承在保持彈性旁承回轉(zhuǎn)阻力矩M基本不變的情況下，大幅度增加了彈性旁承的工作行程S1，降低了產(chǎn)品的垂向剛度Kv。普通彈性旁承和長行程彈性旁承的主要性能參數(shù)見表1。

表1　重載貨車彈性旁承與普通貨車彈性旁承垂向性能對比

目前國內(nèi)已裝車試運用的大軸重貨車長行程彈性旁承主要有3個類型：由JC型衍變而來的CJC系列彈性旁承(如圖3所示CJC-2型旁承體)、由BD型衍變而來的CZC-1型(如圖4所示)和V型彈性旁承(如圖5所示)。三種彈性旁承工作行程都達到16 mm，最大行程達到23 mm。三種型號長行程彈性旁承的結構特點見表2。

圖3　CJC-2型彈性旁承體

圖4　CZC-1型彈性旁承體

圖5　V型彈性旁承

旁承類型結構特點CJC-2型彈性旁承1.旁承體和旁承座分體結構,安裝更換方便;2.旁承體分內(nèi)部橡膠部分和外部橡膠部分,外側(cè)橡膠為兩段錐形橡膠層,車體落下后旁承體自動漲緊在旁承座內(nèi);內(nèi)部橡膠部分為橡膠柱,橡膠柱內(nèi)設有螺旋彈簧,為提供橡膠變形空間和調(diào)整剛度,中間部門挖空。CZC-1型彈性旁承1.旁承體和旁承座一體結構,安裝方便,需要整體更換;2.結構類似于BD型彈性旁承,采用雙錐形雙層橡膠結構,產(chǎn)品縱向剛度大。V型彈性旁承1.旁承體和旁承座采用分體結構,旁承體需壓入旁承座;2.旁承體采用V型橡膠結構,設置有多層隔板和多層橡膠層,產(chǎn)品縱向剛度大。

2　新型長行程彈性旁承的研制

2.1常接觸彈性旁承的設計原則

根據(jù)常接觸彈性旁承在車輛系統(tǒng)中所起的作用，常接觸彈性旁承應具有穩(wěn)定的垂向剛度和工作高度以保證車輛回轉(zhuǎn)阻力矩的穩(wěn)定性。結合普通行程彈性旁承開發(fā)和多年批量裝車運用情況和3種型號長行程彈性旁承開發(fā)、試驗和試裝車運用情況，常接觸彈性旁承設計應遵循以下原則：

(1) 與現(xiàn)有長行程彈性旁承能夠互換，產(chǎn)品外形尺寸(mm)：長度 300、寬度132、工作高度131；產(chǎn)品主要性能指標應滿足表3的要求。

(2) 采用旁承體旁承座分體結構，便于安裝和更換；要方便調(diào)整工作行程S1和旁承間隙S2。

(3) 產(chǎn)品高度受限，最大行程達到23 mm，承載橡膠主要承受剪切變形，采用橡膠剪切結構；應采用封閉的錐形橡膠結構，降低產(chǎn)品的永久變形量，提高產(chǎn)品縱向剛度。

(4)橡膠層厚度要大于垂向最大行程，橡膠層設計應考慮產(chǎn)品可能受到的扭轉(zhuǎn)變形。

表3　重載貨車用彈性旁承技術要求

2.2結構設計

橡膠的體積壓縮模量值K很高，而剪切模量相當?shù)?，比壓縮模量值小2～3個數(shù)量級，橡膠件承受剪切變形時，承載能力低而柔度大，剪切剛度?。怀惺軌嚎s變形時，承載能力高而柔度小，壓縮剛度大。在工程用橡膠用設計時橡膠的壓縮變形量不超過25%，而剪切變形量可以達到70%以上[4]。

新型長行程雙作用彈性旁承采用剪切型結構，主要由旁承底座、彈性旁承體、磨耗板、滾子和滾子軸組成，如圖6所示。

圖6　新型組合式長行程彈性旁承結構示意圖

新型常接觸長行程彈性旁承主要優(yōu)點：

(1) 采用旁承座和旁承體分體結構，旁承體直接放入旁承座中，安裝、拆卸和更換方便；

(2) 中間橡膠部分為一封閉的錐形橡膠層，減少橡膠自由面，減少了橡膠的蠕變量；兩端為兩段錐形橡膠層，產(chǎn)品縱向剛度大；產(chǎn)品在承受垂向、縱向和扭轉(zhuǎn)時橡膠應力和應變均勻。

(3) 彈性旁承體側(cè)耳與旁承底座為間隙配合，彈性旁承體底部凸出的定位銷與旁承底座為間隙配合，在彈性旁承體壽命到期后，可直接將彈性旁承體取出，無需拆卸其他部件，檢修方便。

(4)可在旁承體底部加調(diào)整墊，調(diào)整旁承間隙S2；可以在旁承座底部加調(diào)整墊，調(diào)整產(chǎn)品高度和產(chǎn)品工作行程S1。

2.3有限元分析

為驗證2.2節(jié)所述結構滿足表3所示的性能要求，對該結構進行了FEA分析，F(xiàn)EA分析所用材料參數(shù)來源于株洲時代新材料科技股份有限公司FEA基礎數(shù)據(jù)庫。有限元模型如圖7所示，其中橡膠材料采用ABAQUS中的超彈雜交單元C3D8H單元進行模擬，金屬材料采用非協(xié)調(diào)單元C3D8R單元進行模擬。分析結果見表4。

圖7　有限元分析模型

(kN·mm-1)

通過對產(chǎn)品在垂向壓縮23 mm下的FEA分析，金屬材料的最大應力為86.81 MPa，遠小于Q235B材料的屈服強度(屈服強度≥235 MPa)；橡膠部分變形均勻，無明顯鼓出與褶皺現(xiàn)象，橡膠應力分布均勻，無明顯應力集中，具有良好的疲勞性能。

圖8　垂向加載23 mm下的金屬應力與橡膠應力應變

2.4試驗驗證

參照TB/T 3269-2011《鐵道貨車彈性旁承》，并結合重載貨車彈性旁承的裝車運用條件，對新型長行程雙作用彈性旁承的靜態(tài)剛度、低溫和高溫剛度變化率、縱向疲勞性能、垂向疲勞性能等進行了研究，試驗結果見表5，試驗照片見圖9。疲勞試驗后產(chǎn)品外觀良好(見圖10)，無橡膠裂紋與脫膠現(xiàn)象，滿足標準和技術條件要求。

表5　新型常接觸長行程雙作用彈性旁承試驗結果

圖9　疲勞試驗

圖10　全套疲勞試驗后產(chǎn)品照片

3　結　論

綜上所述，新研制的常接觸長行程彈性旁承，滿足大軸重貨車用長行程彈性旁承的性能參數(shù)和接口尺寸要求，可以進行互換。

新研制的常接觸長行程彈性旁承集合了現(xiàn)有3種型號產(chǎn)品的結構優(yōu)點，對其不足的地方進行了改進，經(jīng)過小批量裝車運用考核后可以在現(xiàn)有27 t和30 t軸重的DZ1～DZ6轉(zhuǎn)向架上推廣使用。

[1]李立東，胡海濱，袁忠南.鐵路貨車JC系列彈性旁承選型和裝車使用要求簡介[C].實踐開拓創(chuàng)新—2008年快速重載車輛轉(zhuǎn)向架與輪軸學術研討會論文匯編.2008.

[2]鮑旭原. 常接觸彈性旁承與貨車提速[J]. 鐵道車輛，2002，(7)：20-23.

[3]嚴志雄.長行程常接觸彈性旁承的研制[J].鐵道車輛，2008，(6)：24-25.

[4]龔積球，龔震震，等.橡膠件的工程設計及應用[M].上海：上海交通大學出版社，2003.

Performance Research of a New Type Constant Contact Long Travel Side Bearing

LIUBo,LIJianlin,FENGWansheng,LINSheng,RONGJigang,CHENGHaitao

(Zhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd.,Zhuzhou 412007 Hunan, China)

Based on the research of the side bearings been used for railway wagon, the structure of a new type constant contact long travel side bearing is introduced, which can be used for railway heavy axle-load wagon. According to the trial-produce, the stiffness, low and high temperature performance, and fatigue performance of side bearings with the structure meet fully the requirements of the railway heavy axle-load wagon. It is suitable for use on the railway heavy axle-load wagon.

heavy axle-load; long travel; side bearing; combined type

1008-7842 (2016) 03-0067-05

男，工程師(

2015-12-03)

U272

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.14