呂 斐 曾梁彬 王賢龍

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 引言

隨著高速動車組的快速發(fā)展，輕量化已成為軌道交通領(lǐng)域的一個(gè)主要技術(shù)方向，國內(nèi)外各主機(jī)企業(yè)不斷推出各種輕量化車型[1]。制動夾鉗單元的輕量化主要有材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化兩個(gè)方向，大量輕質(zhì)材料，如鋁合金[2]、鈦合金[3]的發(fā)展已經(jīng)為制動夾鉗單元的大幅度減重提供了可能。本文針對某型三點(diǎn)式常用制動夾鉗單元，采用鈦合金作為制動夾鉗單元主要承載部件的制造材料，研究其可行性。

1 鈦合金輕量化

1.1 鈦合金簡介

鈦合金(TC4)密度為4.5×103kg/m3左右，與鋼相比可減重40%以上；抗拉強(qiáng)度σb=950 MPa，屈服強(qiáng)度σs=875 MPa，比強(qiáng)度是不銹鋼的3.5倍，鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.7倍，可以使設(shè)備設(shè)計(jì)得更加緊湊，大幅減小結(jié)構(gòu)重量，提高設(shè)備的技術(shù)水平。鈦合金耐高低溫性能好，在-100 ℃～500 ℃均能保持良好的力學(xué)性能，且具有優(yōu)異的耐蝕性能，表面可形成氧化膜使鈦鈍化而不受腐蝕，可減少腐蝕裕量設(shè)計(jì)，大幅降低裝備的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，并且無須涂層保護(hù)，降低制造成本，保護(hù)環(huán)境。此外鈦合金具有較高抗沖擊及抗疲勞性能，使鈦合金能夠提供設(shè)備抗靜載荷及動載荷的能力，提升了安全性能。綜上所述，鈦合金是一種非常優(yōu)良的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。故自20世紀(jì)50年代以來，鈦合金被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身構(gòu)架、航空發(fā)動機(jī)[4]和核潛艇耐壓殼體[5]等高端制造中。在軌道交通領(lǐng)域，隨著高速列車輕量化要求越來越高，也開始嘗試使用鈦合金制造轉(zhuǎn)向架、軸箱、高鐵彈簧、過渡車鉤等部件。

1.2 鈦合金制制動夾鉗單元

三點(diǎn)式制動夾鉗單元模型如圖1所示。

圖1 三點(diǎn)式制動夾鉗單元

鈦合金的高強(qiáng)度、低密度、高耐蝕以及較高的抗沖擊和抗疲勞性能使其在輕量化產(chǎn)品開發(fā)中具有先天優(yōu)勢，可在降低質(zhì)量的同時(shí)大幅提高制動夾鉗整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并提升其抗振性能。該型夾鉗單元原重69.3 kg，夾鉗單元的吊掛、閘片托、吊座、缸蓋、活塞管、缸蓋導(dǎo)管、軛和杠桿等主要受載部件原本采用QT500-7和QT600-7制造，質(zhì)量達(dá)到43.4 kg，占了總質(zhì)量的62.6%，故采用鈦合金(TC4)對它們進(jìn)行試制，共減重17.6 kg。

2 制動夾鉗有限元分析

2.1 建立模型

在Creo中建立制動夾鉗單元的三維模型，在保證準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)特性的前提下對制動夾鉗單元模型進(jìn)行了簡化，刪除了某些小孔及小倒角等特征。對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格驗(yàn)證，設(shè)置網(wǎng)格種子尺寸在3～5 mm之間，采用C3D4的四面體單元，單元數(shù)為763 499個(gè)，計(jì)算精度較高，如圖2所示。

2.2 約束設(shè)置

約束設(shè)置如圖3所示，其中閘片托吊掛螺栓外表面上法蘭襯套的6個(gè)自由度都受約束；吊軸光桿的螺栓連接面6個(gè)自由度都受約束；閘片托在圖中呈紅色面的x方向自由度受到約束。

圖2 網(wǎng)格模型 圖3 約束模型

2.3 分析計(jì)算

根據(jù)分析，制動夾鉗單元存在三種極限工況，如表1所示。

表1 極限工況

分別對這三種工況進(jìn)行有限元載荷施加及計(jì)算，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。在工況1、2、3條件下，整體最大靜強(qiáng)度均在銷軸的軸套上，其大小分別為285.6 MPa、175.3 MPa、174.2 MPa。 由此可知杠桿、吊座、吊掛和閘片托等部件上的應(yīng)力遠(yuǎn)低于鈦合金的屈服強(qiáng)度，完全滿足安全使用要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 制造組裝

采用鈦合金(TC4)制造的制動夾鉗單元部分零件如圖5所示，對零件外表面做噴砂處理，零件表面質(zhì)量較高，無須再做磷化油漆等防腐處理，簡潔美觀耐腐蝕。

圖4 夾鉗單元應(yīng)力云圖

圖5 鈦合金制杠桿和吊座

由于鈦合金屈服強(qiáng)度高，是QT600-7的2.3倍，所以襯套壓入產(chǎn)生塑性變形所需的壓力過大，據(jù)此重新設(shè)計(jì)了杠桿和殼體等部件的襯套孔過盈量，使得襯套能以正常壓力安裝。

3.2 功能試驗(yàn)

對鈦合金制動夾鉗單元分別進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、低壓和高壓常溫密封性試驗(yàn)、常溫靈敏度試驗(yàn)、一次間隙調(diào)整量試驗(yàn)、最大間隙調(diào)整量試驗(yàn)和緩解間隙試驗(yàn)(見圖6)，試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如表2所示。

圖6 功能試驗(yàn)

表2 功能試驗(yàn)結(jié)果

閘片托雙側(cè)理論計(jì)算正壓力為：

式中：D為制動缸內(nèi)徑203 mm，P為制動缸壓力，放大倍率i約為3.217，制動效率μ取0.931。進(jìn)行制動輸出力試驗(yàn)，向制動缸充入各種壓力工況(P為100±10 kPa、200±10 kPa、300±10 kPa、400±10 kPa和500±10 kPa)的壓縮空氣，測得閘片托雙側(cè)壓力如下圖7所示，鈦合金制動夾鉗單元的試驗(yàn)值和計(jì)算值基本吻合，說明其制動效率較高，符合制動要求。

圖7 閘片托雙側(cè)正壓力

由以上功能試驗(yàn)可知鈦合金制動夾鉗單元滿足使用需要。

3.3 疲勞試驗(yàn)

對該鈦合金制動夾鉗單元進(jìn)行100萬次制動、緩解疲勞試驗(yàn)。在疲勞試驗(yàn)過程中，制動夾鉗單元?jiǎng)幼髡?，試?yàn)前和試驗(yàn)后的制動夾鉗單元常規(guī)性能皆滿足要求。試驗(yàn)后進(jìn)行制動夾鉗單元解剖檢查發(fā)現(xiàn)，夾鉗內(nèi)部無螺栓松動、零部件脫落、破損和異常變形等情況。對夾鉗的杠桿、吊掛、吊座和閘片托等部件進(jìn)行探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋損傷，說明鈦合金制動夾鉗單元具有相當(dāng)強(qiáng)的抗疲勞性能，能滿足夾鉗單元的使用壽命需要。

3.4 沖擊振動試驗(yàn)

根據(jù)IEC 61373：2010標(biāo)準(zhǔn)中2類規(guī)定的方法，對該制動夾鉗單元進(jìn)行了垂向、橫向和縱向的模擬長壽命試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和功能性隨機(jī)振動試驗(yàn)(見圖8)。試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)件外觀和結(jié)構(gòu)無異常，未發(fā)現(xiàn)零部件脫落、斷裂、缺失等異?，F(xiàn)象，產(chǎn)品滿足IEC 61373：2010中2類規(guī)定的要求。

圖8 沖擊振動試驗(yàn)

3.5 低溫試驗(yàn)

將制動夾鉗單元連同試驗(yàn)用壓縮空氣一起置于-50 ℃的低溫環(huán)境下，保持48 h后，在同樣溫度環(huán)境下進(jìn)行了靈敏度試驗(yàn)、高低壓密封試驗(yàn)、一次間隙調(diào)整量試驗(yàn)和最大間隙調(diào)整量試驗(yàn)等功能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境下，該鈦合金制動夾鉗單元功能正常，說明抗低溫性能強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文采用鈦合金(TC4)替代QT500-7和QT600-7制造了制動夾鉗單元的主要結(jié)構(gòu)件，包括吊掛、閘片托、吊座、缸蓋、活塞管、缸蓋導(dǎo)管、軛和杠桿；將制動夾鉗單元總質(zhì)量從69.3 kg降至51.7 kg，并通過功能試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、沖擊振動試驗(yàn)及低溫試驗(yàn)驗(yàn)證了鈦合金制動夾鉗單元的可行性及可靠性。由上文研究發(fā)現(xiàn)，該鈦合金制動夾鉗單元的安全余量很高，結(jié)構(gòu)存在冗余，后續(xù)需要進(jìn)一步研究制動夾鉗單元結(jié)構(gòu)的極限設(shè)計(jì)方法，充分利用鈦合金的材料性能，使其在保證安全使用的同時(shí)更加輕量化。