尹明 孙晓丽

摘 要：介绍了冶金车辆心盘的作用，提出了心盘在车辆运行过程中的重要性，说明了心盘的结构及使用情况。车辆在正常工况下运行，心盘存在磨损、裂纹现象，结合实际情况进行ANSYS有限元分析，找出原因，并给出对策。

关键词： 冶金车辆；心盘；磨耗；裂纹

冶金车辆心盘是用来承受车体和货物重量的，它传递车体的纵向力和横向力，当车辆通过弯道时，会以心盘为支点转动—滑动，以使车辆圆滑的通过弯道，可见心盘是冶金车辆的主要连接零部件。在车辆运用、检修中时常发现心盘磨损、裂纹故障，多发生于车体纵向，严重威胁着行车安全，因此，研究其故障原因是十分必要的。

1 现状分析

冶金车辆走行装置上的心盘大多采用平面心盘，由上心盘和下心盘组成。平面下心盘的中央部有一凸起圆脐，脐中有一个供穿入心盘销的圆柱孔。这种心盘具有自动复原能力，当车体横向倾斜时，分布在心盘作用面上的合成压力移向心盘边缘，产生一对复原力矩，使车体回到原位。

心盘是走行装置与车体传动端的重要连接部件。260t鱼雷型混铁车走行装置上心盘分为大、中、小心盘。大上心盘用螺栓固定在主动端、从动端下面，大下心盘用螺栓固定在大车架上面。260t鱼雷型混铁车走行装置采用耐磨心盘，其由上心盘、心盘垫、下心盘组成。上、下心盘接触面在车体载荷的作用下由于相对转动摩擦会产生磨损，尤其在混入砂粒等杂物时磨损更为严重。

2 心盘ANSYS有限元分析

2.1 前处理

建立代表心盘装置接触体的实体模型，设置单元类型、实常数、材料特性等，并用恰当的单元类型为接触体划分网格。

2.2 设定接触对

定义目标面和接触面。

2.3 受力、受热情况

在正常工况下，心盘的受力情况为，垂向静载荷166405kN，垂向动载荷为266.25kN，垂向总载荷为193030kN。鱼雷罐在经过重罐—空罐多个周期循环后达到稳定时温度场分布，在稳定工作期间，其罐壳温度在90268 ℃，小于罐壳蠕变温度400 ℃；工作一周期工作层最低温度为865 ℃。心盘一般工作温度20℃，上心盘上表面平均温度200℃。

2.4 施加边界条件，定义载荷步

设定边界约束，下心盘完全固定，下心盘下端面设置为全约束；上心盘可沿Z轴方面转动、移动，上心盘上端面设置X轴、Y轴方向约束。施加心盘载荷、温度载荷。定义载荷步选项，设置自动时间步长，并指定分析时间步的数目，步长数5，最大步长10，最小步长3。

2.5 求解，查看结果

上心盘应力云图中，最大变形量DMX=4.72×104m，最小应力SMN=1.58×106Pa，最大应力SMX=7.64×108Pa。针对上心盘而言，最大应力分布在其上端面加强筋连接处、螺栓孔处，上心盘受热易发生弯曲变形，螺栓孔处容易裂纹。

心盘垫应力云图中，最大变形量DMX=4.07×106m，最小应力SMN=3.87×105Pa，最大应力SMX=1.75×107Pa。心盘垫下端面靠近心盘固定螺栓处的外边缘应力最大，心盘垫上端面相应位置所受应力较大，这些位置易磨损，磨损带呈圆环形，尤其下端面更易磨损。

下心盘应力云图中，最大变形量DMX=2.48×106m，最小应力SMN=2072.48Pa，最大应力SMX=1.13×107Pa。下心盘上端面环形平面上靠近立棱圆环上靠近螺栓处应力最大，下端面与之相对应的部位应力最大，这些位置易磨损，磨损带呈圆环形。

由上接触对、下接触对接触应力云图看出，心盘装置的四个接触面（上心盘上端面、心盘垫上端面、心盘垫下端面、下心盘上端面）相比较，心盘垫上端面、下心盘的上端面更容易发生磨损，且下心盘的上端面存在最大磨损，磨损带呈不规则圆环形。

3 对策及建议

3.1 优化设计、制造心盘

设计、制造结构合理，材料耐磨性高的心盘，以适应我部冶金车辆发展的需要，是解决目前心盘缺陷，提高运行品质的根本。

3.2 加强冶金车辆运行管理

为适应冶金车辆重载现状，解决车辆超速、超载问题，有必要严格限制机车运行速度，严格按照规章制度进行装车、调车作业，严禁超速、超载。

3.3 提高心盘检修质量

规范检修人员作业流程，严把质量关。根据《冶金车辆检修规程》心盘检修技术要求，上心盘根部破损时更换。心盘裂纹时拆下焊修，裂纹长度超过周长1/2时，须全周焊修，焊后热处理。上心盘体平面磨损，大修超过2㎜、年修超过6㎜时焊后加修。上心盘以螺栓安装者，须卸下检查，并确认良好。下心盘摩擦面磨损，大修超过2㎜、年修超过6㎜时焊后加修，立棱厚度不足11㎜，脐部厚度不足7㎜，焊后加修。下心盘与铸钢摇枕一体者，其立棱裂紋时焊修，脐部裂纹或破损时焊后加修或镶套。

3.4 加工修理心盘程序要正确

1）在检修心盘时，应在彻底除去油污、锈蚀后检查，否则潜在的裂纹难以发现。

2）若发现心盘裂纹，要用乙炔焰在裂纹处开60°～70°的V形坡口，坡口的深度和长度应根据裂纹情况而定，以消除裂纹痕迹为准，露出基本金属，然后施手工电弧焊。

3）焊前必须先确定心盘的材质，选择与之相对应的等强度焊条。

3.5 做好防锈、储备工作

加修后的心盘，尽量消除残余的内应力，做好心盘防锈、储备管理工作。对加修好的心盘喷涂一层防锈油，做到合理堆放，尽量避免雨露、地面潮气及恶劣气候的侵蚀，发放时遵循先加修、先发出的原则。

4 结论

在冶金车辆运行和检修方面，分析了心盘产生磨损、裂纹的主要原因，这些原因虽不可避免，但可以通过优化设计、制造心盘，加强冶金车辆运行管理，提高心盘检修质量，正确执行加修心盘程序，心盘焊后正火处理，做好心盘防锈、储备工作的措施有效缓解心盘产生磨损、裂纹，延长使用寿命。

参考文献：

[1]况作尧.冶金企业铁路特种车辆运用与检修[M].北京：中国铁路出版社，2011.

[2]中华人民共和国铁道部.冶金车辆检修规程[M].北京：冶金工业出版社，1980.

[3]梁义.提高加修心盘质量的做法[J].铁道车辆，2001（2）.44.