基于TRIZ创新理论的机车转向架一系轴箱拉杆装置研究

杨易++高升辉++朱向阳++张冲

摘 要：文章介绍了基于TRIZ创新理论的机车转向架一系轴箱拉杆装置研究，通过TRIZ理论找到一系轴箱拉杆装置的各种方案。

关键词：一系轴箱拉杆装置；TRIZ；系统分析；因果分析；矛盾分析；物场分析

1 概述

TRIZ意译为发明问题的解决理论，其成功地揭示了创造发明的内在规律和原理。实践证明，运用TRIZ理论，可大大加快解决问题的进程。下面运用TRIZ对一系轴箱拉杆装置进行了系统的分析，从而找到解决问题的方案。

一系轴箱拉杆装置是铁路机车转向架中用于连接轴箱体和构架的部件，主要功能是用于提供纵向刚度，附带提供部分横向刚度。适宜的刚度是保证机车运行稳定性的关键，对机车的动力学性能有决定性的影响。在一些机车项目中为了改善转向架的横向性能，大部分通过增加一系弹簧的横向刚度来提供，但是在一系弹簧垂向刚度一定的情况下，横向刚度也随之确定。这时就必须增加轴箱拉杆的横向刚度，要求一系轴箱拉杆装置提供较大的横向刚度，而目前已有技术的一系轴箱拉杆装置提供的横向刚度则不足以满足要求。

2 问题描述

已有技术的一系轴箱拉杆装置用于连接机车构架、轮对端部的轴箱体，并柔性地传递纵向牵引力和制动力，同时提供一定的横向柔性阻尼力。构架、轮对、两根轴箱拉杆形成了一个平行四边形结构的四杆铰接机构。已有技术的轴箱拉杆主体为一刚性杆体，其两端各压装有一个橡胶关节。通过橡胶的变形，橡胶关节可相对于拉杆体发生偏转、扭转、轴向移动、径向移动。

当轮对相对于构架发生横向相对移动时，带动两个轴箱拉杆绕构架连接点做平行四边形摆动。轴箱拉杆相对构架连接点偏转，导致拉杆体相对于两个橡胶关节偏转及轴向移动。此时，轴箱拉杆依靠橡胶关节的弹性而具有的横向回复能力，称为横向刚度（由偏转刚度与轴向刚度合成）。在一般的机车设计中，其值在机车横向刚度中占比较小。

3 问题分析

3.1 系统分析

针对问题所在，创建组件模型，如图1所示。

通过组件模型分析，我们描述了系统中的组件都有哪些以及它们之间的相互关系，并得出了导致横向刚度不足可能的一个功能因素：轴箱拉杆的横向阻力不足或者橡胶关节的偏转阻力与横向阻力不足。

3.2 因果分析

通过因果分析找到问题产生的原因，一层层剖析出问题的根本原因，如图2所示。

通过因果分析，引起拉杆体和橡胶关节之间连接的横向阻力不足的根本原因是：轴箱拉杆横向刚度不足；一系轴箱拉杆装置横向稳定性缺乏；一系轴箱拉杆装置横向止挡缺乏。

通过因果分析，得到备选方案1：

针对一系轴箱拉杆装置横向止挡缺乏，在转向架侧面预先设置弹性的横向止挡。当拉杆体在横向力的作用下偏移了一段距离后，横向止挡开始起作用，防止轴箱拉杆横向偏移过度。

4 解决工具

4.1 矛盾分析

根据因果分析， 取其中一对儿矛盾进行分析。从图4中可以看出，轴箱拉杆横向刚度不足的原因是橡胶关节偏转刚度不足。若通过减薄橡胶厚度等方法直接增加橡胶关节偏转刚度，则橡胶关节变形减小，结构应力将增大。矛盾中改善的一方是形状，恶化的一方是应力。通过查找矛盾矩阵，得到4种推荐原理，分别是第10预先作用原理、第14曲面化原理、第15动态特性原理和第34抛弃或再生原理。

通过应用第10号创新原理——预先作用原理，即预先安置物体，使其在最方便的位置原理，得到备选方案2：橡胶关节两端预置两段刚度相对较大的弹性块，当轴箱拉杆偏转到一定程度时，弹性块起作用，以提供较大的横向刚度，如图3所示。

4.2 物场分析

建立系统的物场模型，可以揭示技术系统的功能机制，描述技术系统中不同元素之间发生的不足的、有害的、过度的和不需要的相互作用，技术系统物场模型如图4所示。物场模型显示橡胶关节对拉杆体的作用不足，即拉杆体横向阻力不足，应用双系统和多系统的简化的标准解法，考虑使用一种三角拉杆结构，解决问题的物场模型如图5所示。

通过增加一个物场，即增加一套橡胶关节，两套橡胶关节可使橡胶关节对拉杆体产生足够的作用。从而得到备选方案3，如图6所示。

5 方案评价

备选方案1：横向止挡。其优点是限制轴箱拉杆横移量，相当于提高了一系轴箱拉杆装置的横向刚度；其缺点是刚度不连续，易产生冲击。目前，此种方案得到了广泛应用，例如机车转向架中构架上设有垂向和横向止挡装置，保证了车体和转向架之间合理的相对运动量。

备选方案2：预置弹性块。其优点是能有效提高橡胶关节的偏转刚度；其缺点是只能有限提高橡胶关节的刚度。目前少有应用。

备选方案3：三角拉杆。其优点是一定程度上直接提高了轴箱拉杆的横向刚度；其缺点是结构及安装比较复杂。此种方案在30t大轴重项目、南非20E项目和南非21E项目中得到了应用。

6 结束语

30t大轴重项目是株机公司首个创新方法研究和示范的项目，此项目中一系轴箱拉杆装置采用的是三角拉杆方案。

方案中，三角拉杆体可以采用锻造和铸造成型方法。通过比较分析，在铸造和锻造都能满足强度要求的条件下，铸造拥有更好的经济性能，且铸钢具有良好的强度、韧性等机械性能，故三角拉杆体的材料选用机械性能和铸造性能良好的E级钢。

通过计算分析得出，三角拉杆不同工况下的应力结果分别小于材料的抗拉极限、屈服极限和疲劳极限，故三角拉杆的强度满足设计要求。

通過运用TRIZ理论，我们找到了解决问题的方法，它指导我们如何去解决问题。在工作中，TRIZ将起到越来越重要的作用。

参考文献

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