彭立群,林達文,王 進,陳 剛,吳興磊,余 琪

(株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

隨著我國軌道交通業(yè)的快速發(fā)展,高速、安全、舒適已經(jīng)成為軌道車輛設(shè)計制造的發(fā)展趨勢?？箓?cè)滾扭桿系統(tǒng)(簡稱扭桿系統(tǒng))與空氣彈簧組合運用于軌道車輛二系懸掛系統(tǒng),使得車輛的安全性、舒適度有了很大提高。根據(jù)實際運行工況,設(shè)計了合理的試驗裝置,針對上述扭桿系統(tǒng)進行了大量的力學(xué)性能試驗,主要試驗項目包括整體剛度、彈性、靜態(tài)極限、常規(guī)疲勞、強化疲勞試驗,總結(jié)出一套比較合理的試驗方法和數(shù)據(jù)處理方法,結(jié)合實際對有關(guān)數(shù)據(jù)和試驗原理進行了重點分析,從而對開發(fā)其他型號扭桿系統(tǒng)起指導(dǎo)作用。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及實際安裝

扭桿系統(tǒng)主要由扭桿軸、扭轉(zhuǎn)臂、連桿、支撐座、橡膠件組成,按生產(chǎn)工藝可分為熱套過盈連接型和花鍵連接型兩大類,按外型可分為支撐座內(nèi)置型和外置型兩大類,見圖1,安裝在車輛車體上,通過連桿與轉(zhuǎn)向架連接,同時與空氣彈簧配合使用,克服空氣彈簧垂向剛度少導(dǎo)致側(cè)滾角增加的缺點,約束車輛車體相對于轉(zhuǎn)向架的側(cè)滾,提高車輛運行的安全性和舒適度,見圖2。

圖1 扭桿系統(tǒng)仿真模型

2 產(chǎn)品性能試驗

2.1 試驗設(shè)備及裝置

整體剛度試驗、彈性試驗、靜態(tài)極限試驗均在12通道組合加載試驗系統(tǒng)(通道10)上進行,常規(guī)疲勞試驗在機械式抗側(cè)滾扭桿疲勞試驗機上進行,強化疲勞試驗在12通道組加載試驗系統(tǒng)(通道10和通道11)組合進行,所有試驗裝置均采用數(shù)字化三維仿真設(shè)計(自制)。

圖2 扭桿系統(tǒng)安裝位置示意圖

2.2 試驗環(huán)境溫度要求

扭桿軸與扭轉(zhuǎn)臂裝配完后需在(23±2)℃下停放24 h,試驗環(huán)境溫度為室溫。

2.3 整體剛度試驗

整體剛度試驗主要是驗證扭桿系統(tǒng)中主要受力件扭桿軸的剛度特性,由于車體相對轉(zhuǎn)向架的側(cè)滾載荷(常規(guī)為±40 kN)通過連桿傳遞給扭轉(zhuǎn)臂,從而使扭桿軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,因此扭桿軸必須要有足夠的彈性極限來滿足扭轉(zhuǎn)變形,保證車輛運行安全(圖3)。

圖3 整體剛度試驗原理圖

(1)試驗安裝

將產(chǎn)品扭桿軸兩端的支撐座通過T型螺栓固定在試驗機平臺上,扭轉(zhuǎn)臂一端固定,另一端通過連桿與試驗機加載油缸連接。試驗前載荷調(diào)零,同時讓兩扭轉(zhuǎn)臂保持水平位置,見圖4。

圖4 扭桿系統(tǒng)剛度試驗仿真設(shè)計與安裝圖

(2)試驗方法

預(yù)加載:首先對產(chǎn)品一端施加載荷±40 kN,頻率0.05 Hz,連續(xù)加載3次,間隔5 min,正式加載一次,記錄載荷—變形曲線,按公式(1)計算整體剛度C。

(3)數(shù)據(jù)處理

計算公式(1)

40～0 kN間的剛度k2=(F40-F0)/(S40-S0),

剛度系數(shù)k=(k1+k2+k3+k4)/4,

整體剛度C=kL2,其中扭桿軸長L=1 m。

圖5 整體剛度載荷-變形曲線圖

(4)數(shù)據(jù)分析

將圖5整體剛度曲線做趨勢線,得出k=Y=2.34X+3.22,則整體剛度C=kL2=2.34 MN?m/rad。按計算公式(1)對試驗數(shù)據(jù)進行計算,得出整體剛度C=2.42 MN?m/rad,表1通過比較分析,兩種計算方法得出的結(jié)果相差0.08,說明兩種計算得出的結(jié)果誤差很少。由于目前扭桿系統(tǒng)尚未統(tǒng)一試驗標(biāo)準(zhǔn),均引用法國標(biāo)準(zhǔn)SNCF358-A—1997《動車和拖車用扭桿供貨技術(shù)規(guī)范》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2843—2007《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CSR 005.1—2005《機車車輛減振橡膠件靜態(tài)性能試驗》。

表1 整體剛度試驗數(shù)據(jù)

扭桿系統(tǒng)是一種金屬橡膠裝配而成的系統(tǒng)部件,其扭桿軸具有較高的彈性極限和疲勞強度,一般采用新型軸用鋼50CrVE,故剛度特性呈線性,單點切點剛度和兩點區(qū)間剛度一致。

試驗主要受力件扭桿軸是一種經(jīng)過特殊工藝處理的金屬材料,故在正式試驗前,必須對其進行常規(guī)載荷(3～5)次預(yù)加載,加載頻率≤0.05 Hz,以消除產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力。有研究證明,通過3次以上預(yù)加載的試驗結(jié)果基本穩(wěn)定。

剛度曲線不對稱,是因為在試驗加載過程中首先對產(chǎn)品施加0～40 kN拉伸載荷,卸載后再施加0～-40 kN壓縮載荷,產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力調(diào)節(jié)所導(dǎo)致,所以通常是取4個區(qū)間平均值為剛度系數(shù)。

2.4 彈性試驗

(1)試驗安裝

按圖4將產(chǎn)品一端扭轉(zhuǎn)臂固定,在另一端扭轉(zhuǎn)臂加載中心位置放置一百分表(表針放置在扭轉(zhuǎn)臂上,表座固定于試驗機平臺),然后試驗載荷和百分表同時調(diào)零。

(2)試驗方法

對產(chǎn)品一端施加載荷,使扭桿軸扭轉(zhuǎn)至規(guī)定角度12°,并在此狀態(tài)下保壓3 min后卸載,讀取百分表顯示值,要求扭桿軸試驗前后永久變形≤10′。

(3)試驗結(jié)果

卸載后扭桿軸恢復(fù)到自由狀態(tài),通過計算扭桿軸試驗前后的永久變形為8′。

(4)數(shù)據(jù)分析

彈性是扭轉(zhuǎn)軸吸收能量和釋放能量的重要參數(shù)。因在使用過程中扭桿軸會受到周期性的彎矩、扭轉(zhuǎn)等交變應(yīng)力,同時還有振動和沖擊載荷,扭桿軸就是利用彈性變形來吸收和釋放能量來保證車輛過彎道或道岔。對于其永久變形在法國鐵路標(biāo)準(zhǔn)SNCF358-A—1997有明確規(guī)定,扭桿軸試驗前后的永久變形≤10′;而試驗結(jié)果為8′,驗證了該型號扭桿系統(tǒng)具有高的彈性極限,能抵抗各種彎矩、扭轉(zhuǎn)等交變應(yīng)力和沖擊載荷。

2.5 靜態(tài)極限試驗

(1)試驗方法

預(yù)加載:首先對產(chǎn)品一端施加±59 kN,頻率0.05 Hz,連續(xù)加載3次,間隔 5 min。正式加載:對產(chǎn)品一端施加90 kN,頻率0.05 Hz,加載 1次,保持 1 min,記錄極限載荷—變形曲線(圖6)。

圖6 極限試驗載荷—變形曲線圖

(2)試驗結(jié)果

完成極限試驗后,經(jīng)檢查扭桿軸與扭轉(zhuǎn)臂未產(chǎn)生滑移,無其他異?，F(xiàn)象。

2.6 疲勞試驗

(1)常規(guī)疲勞試驗

常規(guī)疲勞試驗是采用一種曲柄連桿機構(gòu)的機械式疲勞試驗機進行試驗(圖7)。

表2 常規(guī)疲勞試驗條件

圖7 常規(guī)疲勞試驗仿真設(shè)計與安裝圖

按表2完成常規(guī)疲勞試驗后,經(jīng)檢查扭桿系統(tǒng)扭桿軸無裂紋,無其他異?，F(xiàn)象。

(2)強化疲勞試驗(圖8)

強化疲勞試驗是針對通過了常規(guī)疲勞試驗的扭桿系統(tǒng)進行條件更為惡劣的疲勞測試,進一步驗證扭桿系統(tǒng)的設(shè)計可靠性,提高安全系數(shù)。國內(nèi)由于受試驗設(shè)備、試驗裝置的影響很少對扭桿系統(tǒng)進行強化疲勞試驗。通過設(shè)計一套合理的試驗裝置和試驗方案,利用12通道組合加載試驗系統(tǒng)完成了這一試驗。

①試驗方案及試驗條件

產(chǎn)品要求加載±120 mm,頻率 1 Hz,循環(huán)加載10 000次。

本試驗方案采用12通道組加載試驗系統(tǒng)(通道10和通道11)進行組合,進行同頻率、相位差180°協(xié)調(diào)加載,即通道10向下壓縮120 mm時,通道11向上拉伸120 mm,頻率1 Hz,如此反復(fù)交替加載,循環(huán)10 000次。試驗過程中產(chǎn)品溫升≤10℃。

圖8 強化疲勞試驗仿真設(shè)計與安裝圖

②試驗結(jié)果

完成強化疲勞試驗后,經(jīng)檢查扭桿系統(tǒng)扭桿軸無裂紋,無其他異?，F(xiàn)象。

(3)結(jié)果分析

疲勞試驗是驗證產(chǎn)品耐久性的重要手段。而導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要原因是加載頻率和振幅值,這與產(chǎn)品實際使用工況有很大關(guān)系,例如廣州地鐵3號線線路全程共有22處半徑少于2 000 m的曲線。一列地鐵每天來回需運行6趟(單程12趟)。正確地將實際路況轉(zhuǎn)換成疲勞試驗條件,有利于降低試驗成本,從而反映出產(chǎn)品的真正使用壽命。

我們正在研究將實際線路譜條件導(dǎo)入計算機來進行疲勞試驗,這樣可以正確驗證產(chǎn)品的可靠性和疲勞壽命。

3 結(jié)束語

通過對扭桿系統(tǒng)主要性能進行試驗,現(xiàn)已總結(jié)出一套合理的試驗方法和數(shù)據(jù)處理方法,可以對其他類型扭桿系統(tǒng)的開發(fā)起指導(dǎo)作用。

試驗方法是影響試驗參數(shù)測定的關(guān)鍵因素,如何統(tǒng)一試驗方法,制定統(tǒng)一的扭桿系統(tǒng)試驗標(biāo)準(zhǔn),是值得深入研究的課題。

通過以上試驗,驗證了抗側(cè)滾桿系統(tǒng)具有較好的力學(xué)性能,是國內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域系統(tǒng)減振部件的優(yōu)選。

[1] 王日凡.地鐵車輛二系懸掛的調(diào)平系統(tǒng)[J].電力機車與城軌車輛,2003,26(4):20-21.

[2] 尹顯戩,章 鵬,等.軌道車輛抗側(cè)滾扭桿裝置的設(shè)計[J].電力機車與城軌車輛,2005,28(3):21-22.

[3] 曹建平,顏 猛,等.機械式抗側(cè)滾扭桿疲勞試驗機[J].機械工程師,2009,(4):154-155.

[4] 段華東.抗側(cè)滾扭桿對車輛抗側(cè)滾性能影響的研究[J].電力機車與城軌車輛,2007,30(5):14-16.

[5] 郭紅鋒,繆惠勇,等.空氣彈簧及抗側(cè)滾扭桿可靠性設(shè)計技術(shù)及應(yīng)用[J].機車電傳動,2009,(3):28-31.

[6] 錢雪中.準(zhǔn)高速及提速列車轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿裝置的設(shè)計與分析[J].上海鐵道大學(xué)學(xué)報,1998,19(4):12-16.