HXN3型机车转向架构架设计的思考

曲天威,王惠玉,芮 斌,郑长国

(中国北车集团 大连机车车辆有限公司,辽宁大连116022)

HXN3型机车正式投入线路运营已经一年多,到目前为止先期投入运营的机车已经运行了22万km。虽然在运营中曾出现过扫石器、车梯子裂纹问题,但从总体看该车的主要技术指标均达到设计要求。该车在设计过程中由于苛刻的承重自重等指标,给技术设计和施工设计带来极大难度,但由于采用先进的设计理念和设计方法,进行精细的结构设计,虚拟仿真分析,充分的试验验证,使得车体、转向架等主要大部件在极限减重的条件下完成设计,样机经过中国铁道科学研究院的试验,其刚度和强度均满足设计要求。

基于引进、消化、吸收、再创新的指导思想,思考该车在设计、试验、生产、运营等各阶段的技术合作中所进行的技术交流、技术讨论,消化对方提供的技术资料,解读合作方的设计流程和设计思想,将对今后产品设计和技术发展起到有力的促进作用。

1 构架的结构设计

构架结构设计首先遇到的是承重问题,因为该车的总体设计分给转向架的承重量几乎是HXD3的1/2,也就是说利用所限定的材料,设计的构架要保证其具有足够的刚度和强度,这给转向架构架设计带来了很大的困难。

1.1 构架结构的几何形状设计

为了满足构架的各种性能指标,将构架的几何形状设计成“月”字形,将构架两侧梁的上、下盖板和立板的厚度适当搭配,使有限的材料发挥最大的性能。

为了与其他轴重相同的构架比较,现将 HXD3、HXD3B、HXN3构架的有关板厚和设计参数列入表1,从中可见质量差距对设计的难度。其设计方案的三维图形详见图1。

1.2 整体和局部刚度协调设计

在结构允许的情况下,不论是整体还是局部均应保证刚度协调,以此尽量减少出现局部的应力集中,这是该构架开发中重要的设计理念。由图1可以看出,构架的两侧梁结构的连续性很好,从计算得到的应力分布和位移结果看基本是等刚度、等强度。其应力分布详见图2。

表1 构架板厚和设计参数

图1 构架设计三维图

图2 构架的整体位移和应力分布图

1.3 筋板的几何形状和布置

对横梁、侧梁内部筋板的几何形状和布置的设计理念也是值得思考和借鉴的,这些内部筋板的几何形状不都是简单的方形结构,而是根据构架的整体受力情况和力的传递走向以及整体的刚度分布而定。这要求设计者在技术设计过程中就应对构架的受力情况和刚度分布有总体的了解和规划,这实际上是对设计者本身的基础素质提出了更高的要求。其横梁和侧梁内部筋板的几何形状和位置见图3。

图3 横梁和侧梁内部筋板的几何形状和位置

1.4 附件的细节设计

对构架上布置的吊座、拉杆座、弹簧座等附件的设计,既考虑这些附件本身的受力特点和应力分布的均匀性,又考虑到对构架整体刚度的协调性。所以这些附件的几何形状都比较复杂,每个尺寸、每个圆弧、每个细节的设计思想都很明确,并且都能表现出设计者深厚坚实的基础功底。其指导思想是在保证附件本身具有足够强度的基础上,又能使得自身的能量得到释放,以便最大限度的减少应力集中。附件的细节设计举例详见图4。

1.5 仿真分析和优化设计

不论是构架的主体结构还是微小的附件设计,都要进行结构的仿真分析或常规的理论计算验证。这就从根本上避免了设计的盲目性,减少设计误差。该构架在极限承重的情况下,作出完整的施工设计,顺利的通过严格的静强度和疲劳循环载荷试验考核,这完全是依靠结构仿真分析的引导。同时在对设计方案的每次改进时,也都严格遵守设计流程,对其进行仿真计算分析和优化设计,做到有理有据,在仿真分析中重点关注焊缝部位的应力水平和抵抗疲劳损坏的能力。这些仿真分析中所施加的载荷以及评价方法都是采用欧洲、德国标准和合作方的企业标准,同时也参考铁标,选取这些标准中比较苛刻的载荷条件,对构架进行仿真分析,并根据这些标准进行评价。构架的疲劳强度评价参考德国DV952标准中的Moore—Commer—Jasper疲劳评价曲线,详见图5。

2 静强度和疲劳试验考核

该构架的静强度和疲劳试验是由中国铁道科学研究院主持试验。构架加载试验的图片见图6。是有试验记录以来最严格的。构架的试验大纲是合作方自行拟写的,其试验工况、各载荷的计算方法和数值、每一载荷的加载位置、加载方法、加载的反作用力测试等,都有详细规定,同时构架上每一个附件均都必须加载试验。整个试验大纲长达110多页,详细的说明保证每一步试验都不会出现偏差。

对构架上应变片位置的布置,完全是根据仿真计算分析的结果决定,同时在每进行一个试验工况取得数据后,设计计算分析人员现场立即与仿真计算分析的结果进行比较,以便及时调整加载方式或者检查仿真分析模型。

不仅该构架顺利通过了各工况的静载荷试验,同时也顺利通过1 200万次的循环载荷疲劳试验,超过铁标要求200万次。这过程中先后共进行了5次整体探伤检查,均未发现任何问题。

3 线路运行情况

HXN3机车配属在沈阳铁路局通辽机务段,主要承担霍林河煤矿的运煤等任务,多机牵引超过1万t,先期的机车已运行了22万km,到目前为止机车总体运行状态良好,该车转向架构架主体没发现任何问题。

4 结束语

4.1 设计理念和技术思想的借鉴

(1)严格遵守设计流程和技术规范,不受其他因素的支配和干扰;(2)进度和质量的关系,以质量为主;(3)注重设计细节,落实在每一项设计环节中;(4)注重仿真分析,每一项设计方案都必须经过仿真分析和优化;(5)每一项设计方案的改动,也必须经过理论分析验证;(6)技术问题的分析都遵循统一的模式:①问题的现状;②原因分析;③对原因分析的理论计算验证;④采取的技术改进方案;⑤改进方案的计算说明;⑥结论。总之,做到每件事的处理都有根有据。(7)注重基础数据和知识的积累,建立企业自己的标准或规范。

4.2 未解决的问题

HXN3机车在投入营运的过程中,曾出现过扫石器、车梯子裂纹问题,在部件设计时对扫石器、梯子等都曾作过仿真计算分析,分析中参照英国GMRT 2100标准确定载荷工况。表2列出了英国GMRT 2100标准所规定的转向架安装部件结构强度的惯性力规范值。

表2 结构强度惯性力规范值

对扫石器计算的结果表明:静强度和疲劳强度均能满足设计技术要求。合作双方对部件的仿真计算数据和结论基本一致,但在运行中机车还是出现问题,尽管合作双方都认为设计方案是经过仿真计算论证过的,并且生产过程是经过双方共同严格检查并认为是合格的。另外,扫石器裂纹问题在HXD3、HXN3以及其他和谐机车都曾发生过。

因此提出下列问题,所采用的计算载荷标准是否与机车运用的实际情况相差很大?车下的悬臂吊挂装置的振动疲劳问题是否需要从新审视?对这些问题还需要通过动力学试验和理论分析加以研究。