200km/h动车组下拉杆组成的研制

刘文松，刘世春，聂清明，杜方孟，王京雁

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

0 引言

200 km/h 动车组采用动力分布式，每列8 辆编组，共5 辆动车和3 辆拖车（5M3T），设计运营速度为200 km/h。列车可通过两组联挂方式增至16 辆。转向架一系悬挂装置采用拉杆轴箱定位方式，二系悬挂系统由上枕梁、空气弹簧系统、抗侧滚扭杆装置、二系横向减振器、抗蛇形减振器、横向止挡和牵引装置等组成。转向架与车体间采用Z 型双牵引装置，传递牵引力和制动力；基础制动采用轴盘制动。

约束轮对轴箱与构架间相对运动的机构称为轴箱定位装置，为轴箱提供纵向和横向定位刚度，以保证车辆具有足够的直线稳定性和良好的曲线运行导向性，从而确保车辆运行的安全性和稳定性。本文主要介绍200 km/h动车组一系悬挂下拉杆组成结构特点、设计方案、刚度强度分析及试验验证等。

1 200 km/h 动车组下拉杆组成结构特点

200 km/h 动车组一系悬挂装置采用双拉杆式轴箱定位（如图1）。一系悬挂系统由两组螺旋钢弹簧、一系垂向减振器和定位装置组成。箱体与构架间的连接是通过在不同高度、端部有弹性节点的纵向拉杆实现的（双拉杆轴箱定位结构）。上下拉杆的刚度、钢弹簧的刚度和垂向减振器的参数根据动力学计算进行了优化选择，可减少和缓冲由于线路的不平顺而引起的对构架的激扰。

拉杆可以容许轴箱与构架在上下方向有较大的相对位移，拉杆两端均设置有橡胶节点，实现轴箱和构架之间横向与纵向弹性定位。

图1 一系悬挂轴箱定位装置

下拉杆组成主要由下拉杆杆体、连接销、横向橡胶垫、中心橡胶套、双层弹性节点等组成（如图2 所示）。以下拉杆杆体为主体，采取连接销与2 个双弹性层节点过盈连接，再与下拉杆杆体过盈联接组成下拉杆组件。装配时，连接销通过螺栓及安装座与转向架构架连接。另一端，中心橡胶套过盈压入下拉杆杆体后，再将横向橡胶垫与中心橡胶套过盈联接，装车时，横向橡胶垫通过螺栓及轴箱下拉杆安装座与轴箱连接。

图2 一系下拉杆组成结构示意图

2 200 km/h 动车组下拉杆组成设计方案

根据200 km/h 动车组对一系下拉杆组成的要求进行了全面分析，在结构设计、原材料选取、工艺处理、系统装配、型式试验等方面均按照国内外相关标准进行，形成了有限元与试验校核、最优过盈压装等技术，最终开发出适用于200 km/h 动车组下拉杆组成。主要设计特点如下：（1）确定下拉杆组成系统纵向、横向、扭转、偏转四项刚度值；（2）金属橡胶件之间及与下拉杆杆体和连接销的连接均为过盈联接，能更好地发挥金属橡胶件的多向刚度性能；（3）下拉杆杆体采用欧标材料42CrMo4（EN 10083）并采用模锻+机加工的成形方式，产品性能优越，稳定性好。

3 200km/h 动车组下拉杆组成刚度计算

由于轴箱定位装置在纵向、横向、垂向三个方向上具有弹性，弹性的取得主要依靠金属橡胶件的橡胶变形［1-2］。图3 中坐标系X、Y、Z 方向分别表示为纵向、横向、垂向三个方向。在横向力的作用下，下拉杆右端的橡胶垫产生剪切变形，中心橡胶套产生径向变形，下拉杆右端的双层弹性节点产生径向变形；在纵向力的作用下，下拉杆右端的橡胶垫产生压缩变形，中心橡胶套产生轴向剪切变形和弯曲变形，下拉杆左端的双层弹性节点产生轴向剪切变形和弯曲变形。在垂直力的作用下，下拉杆右端的中心橡胶套产生扭转变形，下拉杆左端的双层弹性节点产生扭转变形。

图3 下拉杆组成受载方向示意图

3.1 下拉杆纵向刚度计算

下拉杆的纵向综合刚度以kx表示。

下拉杆右端的刚度为kt2+2kd2，下拉杆左端的刚度为2ks2，下拉杆组成的纵向综合刚度kx由下拉杆左、右端刚度串联合成，即

式中，kd2为橡胶垫的径向剪切刚度，kN/mm；kt2为中心橡胶套的径向压缩刚度，kN/mm；ks2为双层弹性节点的径向压缩刚度，kN/mm。

3.2 下拉杆横向刚度计算

式中：kd1为橡胶垫的轴向压缩刚度，kN/mm；kt1为中心橡胶套的轴向剪切刚度，kN/mm；ks1为双层弹性节点的轴向剪切刚度，kN/mm。

3.3 下拉杆垂直刚度计算

下拉杆的垂直综合刚度以kz表示。下拉杆垂直综合刚度由橡胶垫的扭转刚度、中心橡胶套的扭转刚度和双层节点的扭转刚度并联而得，

式中：kdα为橡胶垫的扭转刚度，kN·mm/rad；ktα为中心橡胶套的扭转刚度，kN·mm/rad；ksα为双层弹性节点的扭转刚度，kN·mm/rad。

4 200 km/h 动车组下拉杆组成强度分析

根据200 km/h 型动车组转向架构架的强度计算，主要检验构架在超常载荷和异常载荷工况下的强度。因此下拉杆组成受力也可以在这两种载荷条件下进行计算。超常载荷主要分为垂向载荷和横向载荷，异常载荷工况为由纵向加速度产生的纵向载荷。下拉杆组成中，固定横向橡胶套，将图3 中X、Y、Z 方向载荷分别施加在连接销上。

根据工程力学，下拉杆杆体和连接销是否失效可以通过第四强度理论进行校核，根据设定的材料的许用应力与计算出的应力大小进行比对，如果计算应力大于许用应力，则需要重新选择材料。校核公式为：

式中：σ1、σ2、σ3为坐标系X、Y、Z 三个方向的主应力；［σ］为材料的许用应力。

在确定下拉杆组成各项性能参数后，采用ABAQUS 软件对结构进行了详细的有限元计算分析。根据200 km/h 动车组对下拉杆组成的要求,需要根据表1 中极限载荷计算下拉杆组成的强度分析。

表1 200 km/h 下拉杆组成极限载荷条件

4.1 横向载荷

横向载荷为39.2 kN 时，下拉杆组成的最大等效应力位于下拉杆杆体结构变化的圆弧区域，如图4 所示，大小为655.2 MPa，已超过其屈服强度650 MPa，但低于抗拉强度，不会发生破坏。所有零部件均可以满足产品的强度要求。4

.2 纵向载荷

纵向载荷为98.1 kN 时，一系悬挂下牵引杆组件的最大等效应力位于螺栓根部，如图5 所示，大小为275.9 MPa，低于其屈服强度640 MPa，不会发生破坏。所有零部件均可以满足产品的强度要求。

图4 横向载荷39.2 kN 时下拉杆组成等效应力云图

图5 纵向载荷39.2 kN 时下拉杆组成等效应力云图

4.3 偏转载荷

偏转扭矩为10.4 kN·m 时，一系悬挂下牵引杆组件的最大等效应力位于牵引杆杆体台阶圆弧处，如图6 所示，大小为572.1 MPa，未超过屈服强度650 MPa，不会发生破坏。所有零部件均可以满足产品的强度要求。

4.4 扭转载荷

扭转角度为8°时，一系悬挂下牵引杆组件的最大应力仍位于螺栓根部，如图7 所示，大小为268.4 MPa，远低于屈服极限640 MPa，不会发生破坏；所有零部件均可以满足产品的强度要求。

图6 偏转载荷为10.4 kN·m 时下拉杆组成等效应力云图

图7 扭转8°时下拉杆组成等效应力云图

4.5 疲劳载荷

根据上述应力分析结果，利用疲劳软件Fe-Safe 对组件进行疲劳寿命计算，Fe-Safe 软件中的安全系数FOS 是关于施加载荷的强度因子S，当S≥1 时，在此设计寿命条件下，此加载载荷数值是安全的。疲劳载荷谱见表2，序列加载，共计800 万次。

从图8 可知，该下拉杆组成最小强度因子为1.105，位于杆体结构过渡变化处；中心橡胶套金属外套的安全系数为2.156，横向橡胶垫外圈的安全系数为1.719，其他部件均为5；所有部件均可循环8×106次，可以达到设计要求寿命。

表2 200 km/h 下拉杆组成疲劳载荷谱

图8 下拉杆组成疲劳载荷谱下的强度因子与疲劳寿命云图

5 200 km/h 动车组下拉杆组成型式试验

参照型式试验大纲的要求，对200km/h 动车组下拉杆组成进行了各项性能测试，结果各项性能指标均合格，表明200km/h 动车组下拉杆组成完全符合技术规范要求。

5.1 200 km/h 动车组下拉杆组成刚度试验

下拉杆组成对纵向、横向、扭转、偏转等四项刚度均有要求（如表3），根据型式试验大纲要求，对各项刚度逐一测试，结果表明满足试验要求。

表3 200 km/h 下拉杆组成刚度试验

5.2 200 km/h 动车组下拉杆组成疲劳试验

根据表2 完成了800 万次疲劳试验，结束后对下拉杆组成进行磁粉探伤检测，未发现任何裂纹扩展和断裂现象。

6 结论

200 km/h 动车组下拉杆组成采用成熟的结构设计模式，确保了产品设计的符合性；有限元分析和形式试验相结合，确保了产品的可靠性，制造工艺不断优化确保了产品的优越性。经过设计、生产、试验后测试表明，其结构、刚度、强度等完全满足200 km/h 动车组车辆的运用要求。经过800 万次疲劳试验，下拉杆组成未发生任何问题，说明该型下拉杆组成研制成功。

［1］龚积球，龚震震，赵熙雍.橡胶件的工程设计及应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2003：133-136.

［2］齐斌.电力机车常用轴箱定位装置定位刚度分析［J］.电力机车与城轨车辆，2011，34（1）：28-30.