货车径向转向架副构架结构刚度研究＊

2012-08-03周张义李亨利王爱民

铁道机车车辆 2012年3期

周张义，李亨利，杨兴，王璞，王爱民

（1 西南交通大学机械工程学院，四川成都610031；2 中国南车集团眉山车辆有限公司产品开发部，四川眉山620032）

重载铁路货车采用径向转向架是降低轮轨磨耗的有效技术措施［1］。目前，我国投入运用的货车径向转向架为转K7型副构架式自导向径向转向架［2］，且在此基础上正积极开发新型大轴重货车径向转向架。该型转向架是在传统三大件转向架基础上将一个轮对的左右两个承载鞍相连，形成U型副构架，再将前后两个副构架与两个连接杆销接在一起，从而构成自导向轮对径向装置［3］，如图1所示。

因整个轮对径向装置是通过副构架鞍部近似刚性的装配于4组轴承上，其自身潜在的制造或装配误差，可能引起的轴承附加载荷而导致其处于不利受力状态成为普遍关注的问题。此外，该转向架在各种运用工况下还要求轮对径向装置较强的轮对水平运动控制能力。基于此，考虑到副构架是决定轮对径向装置各向刚度的主要部件，本文将着重对其结构刚度进行理论和试验研究。

1 U型副构架左右鞍相对弯扭刚度

如图1所示，单个副构架通过左右鞍将一个轮对的左右轴承联系起来，运用状态下左右鞍轴线在垂向和纵向同轴，且均与车轴平行。由于轮对的刚性，当副构架存在制造误差时（主要表现为左右鞍轴线垂向同轴度误差和纵向同轴度误差），二者装配后该误差将强行消除，副构架相应发生弹性变形，从而对轴承产生附加载荷。显而易见，从轴承受力角度来看，该附加载荷越小越好，而其大小根本上取决于副构架自身适应相应弹性变形的刚度特性。下面分别研究副构架左右鞍在消除垂向和纵向同轴度误差时，产生相应弹性变形所需的载荷大小，明确其刚度特性，探明副构架制造误差对轴承附加受力的影响程度。

图1 轮对径向装置

1.1 垂向同轴度误差

当副构架左右鞍存在垂向同轴度误差时，如左鞍面高于右鞍面，与轮对装配承载后，副构架将发生附加弹性变形消除左鞍面与轴箱的垂向间隙，达到左右鞍面垂向同轴。此时，副构架这种附加弹性变形表现为左鞍在垂向载荷作用下相对右鞍发生弯扭变形。因此，考察副构架一端鞍部固定约束，另一端鞍部垂向加载下（如图2所示），该载荷与鞍面垂向位移间大小关系，可得出副构架左右鞍垂向相对弯扭刚度适应其垂向同轴度误差的能力。

首先对副构架上述刚度特性进行结构有限元分析，三维实体计算模型如图3所示，约束和加载方式如图2所示，即在图中右鞍面施加三向固定约束，对左鞍施加垂向载荷。计算结果表明：仅在1 k N垂向载荷作用下，副构架结构最大垂向位移即可达约9.8 mm，如图4所示。其中，左鞍面平均垂向位移约为8.0 mm。此外，由于副构架结构自身特点，其变形以垂向弯曲为主和绕横向扭转为辅的弯扭组合变形。

图2 副构架左右鞍垂向相对弯扭加载和约束示意图

图3 副构架三维实体有限元离散模型

图4 1 k N垂向载荷下垂向变形计算结果

可见，副构架左右鞍垂向相对弯扭刚度很小，也就是说其适应垂向同轴度误差的能力很强。实际上，即使没有外载作用，仅副构架自重引起的最大垂向位移即可达约10.1 mm，如图5所示。其中，左鞍面平均垂向位移约为8.5 mm。一方面，由于载荷作用力臂大（可视为轴颈中心距），因此较小的载荷就可形成较大的力矩，而使悬臂梁加载端产生大的垂向变形；另一方面，由于副构架中部箱型横梁特别是安装交叉连接杆的开孔区域，其承载截面有限，抗弯和抗扭刚度均较低，也是造成较大变形的主要原因。

副构架样机试验证实了上述分析结果。如图6所示，在试验载荷（自重载荷、工装载荷约1.4 k N和作动器载荷2 k N）作用下，加载端鞍部测得的垂向变形约为64.1 mm。考虑到仿真分析和样机试验存在的差异，如仿真分析为理想模型，并假设结构变形为线弹性，二者在固定端鞍部约束不完全相同等，抛开这些因素可见计算和试验结果是相当吻合的，均表明副构架左右鞍垂向相对弯扭刚度很小。

图5 自重载荷下垂向变形计算结果

图6 副构架垂向载荷弯扭变形试验

1.2 纵向同轴度误差

同上，当副构架左右鞍存在纵向同轴度误差时，与轮对装配承载后，副构架将发生附加弹性变形消除一端鞍部与轴箱的纵向间隙，达到左右鞍纵向同轴。此时，副构架这种附加弹性变形表现为一端鞍部在纵向载荷作用下相对另一端鞍部发生弯扭变形，因此，考察副构架一端鞍部固定约束，另一端鞍部纵向加载下（如图7所示），载荷与鞍面纵向位移间大小关系，可得出副构架左右鞍纵向相对弯扭刚度适应其纵向同轴度误差的能力。

按图7所示的约束和加载方式，即在图中右鞍面施加三向固定约束，对左鞍施加纵向载荷，对副构架上述刚度特性进行结构有限元仿真分析。计算结果表明：仅在1 k N纵向载荷作用下，副构架最大纵向位移即可达约8.8 mm，如图8所示。其中，左鞍面平均纵向位移约为8.0 mm。同上，由于副构架结构自身特点，其变形以纵向弯曲为主和绕横向扭转为辅的弯扭组合变形。

可见，副构架这种左右鞍纵向相对弯扭刚度也很小，也就是说其适应纵向同轴度误差的能力也很强，其原因与分析垂向弯扭刚度时相同。同样，副构架样机试验也证实了上述分析结果。如图9所示，在作动器纵向载荷约1.1 k N作用下，加载端鞍部测得的纵向变形约为6.8 mm。可见计算和试验结果较为吻合，均表明副构架左右鞍纵向相对弯扭刚度很小。

一方面，副构架左右鞍面采用加工中心整体加工（如图10所示），能使各向同轴度误差控制在1 mm以内；另一方面，对长期运用后的转K7型转向架副构架采用三坐标仪进行同轴度高精度检测（如图11所示），结果显示左右鞍同轴度误差均未超过2 mm。因此，综合上述分析和试验结果可见，实际中由副构架制造或装配误差引起的轴承各向附加载荷均在1 k N以内，其对轴承的附加受力影响可忽略不计。

图7 副构架左右鞍纵向相对弯扭加载和约束示意图

图8 1 k N纵向载荷下纵向变形计算结果

图9 副构架纵向载荷弯扭变形试验

图10 副构架左右鞍面整体加工

图11 副构架左右鞍面同轴度检测

2 副构架运用载荷下的结构刚度

上述副构架可能发生的弹性变形仅在其与轮轴组装时出现，当各向制造误差消除后副构架与轮对将紧密配合，并在连接杆的协调作用下发挥轮对曲线径向和直线正位作用。研究表明，副构架式自导向径向转向架有良好的蛇行运动稳定性和曲线通过性能，前提是其具有柔软的轮对纵横向定位刚度、副构架与连接杆间销接无间隙或小间隙、以及轮对径向装置对前后轮对水平运动较强控制能力等。其中轮对定位刚度、销接间隙及交叉连接杆刚度等的影响机理已得到较多关注和研究［4－5］，而针对副构架在各种连接杆运用载荷下的结构刚度分析及其对转向架性能的影响研究尚未开展。鉴于此，本文着重对副构架运用载荷下的结构刚度性能进行初步分析探讨。

研究表明，运用中连接杆载荷主要分为正对称和反对称两种分布情况。前者在车辆发生制动时出现，两连接杆均轴向受拉伸载荷；后者主要在车辆曲线通过时出现，两连接杆分别轴向受拉伸和受压缩。另外，车辆在直线蛇行运行时连接杆载荷也表现为反对称分布，但此时轴向载荷一般较曲线通过时要小。下面分别针对副构架在连接杆径向载荷工况和制动载荷工况下的结构刚度进行分析计算。

2.1 径向载荷工况

径向载荷工况下，连接杆对副构架的轴向载荷呈反对称分布，如图12所示。可见，两连接杆载荷的横向分力作用方向相同，纵向分力作用方向相反。按图示的加载和约束方式，即在副构架左右鞍面施加三向固定约束，在两连接杆安装孔处分别施加25 k N的轴向拉伸和压缩载荷，对其弹性变形刚度进行分析。计算结果表明：副构架主要表现为横向变形，最大约为0.81 mm，弹性变形刚度约30 MN／m（25／0.81），如图13所示。

图12 副构架径向载荷工况下加载和约束示意图

图13 径向载荷工况下横向变形计算结果

不难看出，由于两连接杆轴向载荷的横向分力作用方向相同，两端纵向梁均呈悬臂梁受力结构，相应发生同向的横弯变形，而中部横梁则基本呈横向平移变形，因此副构架横向弹性变形刚度主要取决于纵向梁的横弯刚度及其与鞍部的连接刚度，如图13所示。根据副构架式自导向径向转向架的设计原则，轮对径向装置是转向架剪切刚度的主要来源，要满足25 t轴重、运行速度120 km／h的要求，其值一般不应低于12 MN／m。可见，副构架的横向弹性变形刚度能够满足轮对径向装置的设计要求。

2.2 制动载荷工况

制动载荷工况下，连接杆对副构架的轴向载荷呈正对称分布，如图14所示。可见，两连接杆载荷的横向分力作用方向相反，纵向分力作用方向相同。按图示的加载和约束方式，即在副构架左右鞍面施加三向固定约束，在两连接杆安装孔处均施加25 k N的轴向拉伸载荷，对其弹性变形刚度进行分析。计算结果表明：副构架主要表现为纵向变形，最大约为2.0 mm，连接杆安装孔平均变形约为1.7 mm，弹性变形刚度约14 MN／m（25／1.7），如图15所示。

图14 副构架制动载荷工况下加载和约束示意图

图15 制动载荷工况下纵向变形计算结果

同样，由于两连接杆轴向载荷的纵向分力作用方向相同，横向分力相向，中部横梁呈简支梁受力结构，连接杆安装孔与纵向梁之间的两端横梁发生同向的纵弯变形，两连接杆安装孔之间的横梁则基本呈纵向平移变形，因此副构架纵向弹性变形刚度主要取决于横梁两端结构的纵弯刚度，如图15所示。

进一步分析可知，制动工况下副构架这一较大纵向变形将导致转向架轴距呈扩大趋势，而由于一系橡胶堆柔软的纵横向定位刚度，使得该转向架侧架对轴距扩大的约束作用较常规转向架要小得多。因此，在不影响轮对径向装置自导向功能前提下，通常应在侧架导框和副构架鞍部设置纵向档，以控制转向架轴距扩大量，如转K7型转向架即设置有纵向档结构。