带有碳粉收集功能的新型转向架接地轴端研究

徐志龙，谌亮，吕常秀，韩宣，王显亮，孙浩晏

(中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062)

动车组因其安全、方便、舒适、快捷而成为人们出行的首选工具[1-2]，为了满足更快、更舒适的需求，对动车组转向架的要求也越来越高[3-4].动车组转向架通常设有构架、悬挂装置、中央牵引装置、制动装置、轴端装置、轮对轴箱组成装置、驱动装置、辅助装置等组成[5-7].转向架配置不同的轴端可实现不同的功能，如配置防滑速度传感器的轴端可为制动系统判断滑移状态提供依据[8]，配置接地回流装置的轴端可避免电流对轴箱轴承造成电腐蚀，结合车辆运用情况，既有转向架接地轴端结构[9-10]运用过程中发生过以下问题：

(1)摩擦副为轴向接触形式的接地回流装置通常不具有收集碳粉的功能，导致碳粉进入到轴承内部，不仅污染整个轴端还致使润滑油脂变干、轴温升高;

(2)部分动车组接地轴箱端盖与轴端过渡盖连接螺栓规格偏小、强度不足，运用中存在螺栓脱落或折断风险.

针对上述既有问题(1)，重新设计接地轴箱端盖和接地摩擦盘，改进前后的结构对比如图1所示.

从图1可以看到，改进前接地轴箱端盖和接地摩擦盘没有设置碳粉收集腔，无碳粉收集功能，而改进后的接地轴箱端盖和接地摩擦盘预留碳粉收集腔结构，具有碳粉收集功能，能够有效解决碳粉污染轴端、导致轴温升高的问题.

(a)改进前 (b)改进后图1 接地轴箱端盖和摩擦盘改进前后对比图

针对上述既有问题(2)，对接地轴箱端盖和与轴箱过渡盖连接紧固件重新选型，提高螺栓连接可靠性.

综上，本文对既有动车组转向架接地回流轴端装置进行结构改进，并通过仿真分析验证结构的合理性.

1 新型结构的动车组转向架接地轴端

本文所展示的是一种带碳粉收集功能结构的接地轴端装置，其结构示意图如图2所示.轴端安装结构从外向里分别是接地回流装置、接地轴箱端盖、接地摩擦盘、测速齿轮、速度传感器、轴箱过渡盖.

图2 接地轴端结构示意图

接地轴端创新点如下：

(1)研制出带碳粉收集功能的轴端接地回流装置，碳粉收集腔(如图3所示)设置在接地轴箱端盖及摩擦盘圆周方向上，摩擦盘与接地轴箱端盖安装为小间隙配合，接地回流装置磨耗掉的碳粉在车辆运行中由车轴高速旋转产生的离心力作用下落于碳粉收集腔内，有效阻止碳粉进入轴承内部，进而避免导致轴温升高问题.

图3 碳粉收集腔示意图

(2)将接地轴箱端盖与轴箱过渡盖联接紧固件进行调整，安装螺栓规格由原来的M8调整为M10，垫圈由普通弹垫调整为楔形防松垫圈来增大摩擦力，相应轴箱过渡盖和接地轴箱端盖上的连接结构进行调整，轴箱过渡盖螺栓孔由M8调整为M10，接地轴箱端盖螺栓孔由φ9调整为φ11，螺栓联接部位如图4所示.

图4 螺栓连接部位示意图

2 有限元仿真分析验证

本文轴端接地装置较既有结构相比，接地轴箱端盖增加碳粉收集腔结构，接地轴箱端盖螺栓孔由φ9调整为φ11，轴箱过渡盖螺栓孔由M8调整为M10，故重点对接地轴箱端盖及轴箱过渡盖进行强度校核.

2.1 静强度和疲劳强度分析

2.1.1 静强度分析

接地轴箱端盖和轴箱过渡盖除承受来自轴箱(约88kg)的三向加速度，还承受来自轴承的横向力，根据EN13749-2011标准[11]，取接地轴箱端盖和轴箱过渡盖的垂向、横向、纵向最大加速度分别为70、10、10g，根据上述结果，列出静强度分析组合工况如表1所示.

表1 静强度分析组合工况

2.1.2 静强度校核标准

根据接地轴箱端盖及轴箱过渡盖的材料类型得到静强度的校核标准如表2所示.

表2 静强度许用值

2.1.3 分析结果

借助ANSYS软件，在接地装置组合模型上施加各组合工况，组合工况下的接地轴箱端盖与轴箱过渡盖应力分析结果如表3所示.

由表3可知，接地轴箱端盖的最大应力为163 MPa，该数值小于接地轴箱端盖许用应力240 MPa，满足要求;轴箱过渡盖的最大应力为196 MPa，该数值小于轴箱过渡盖的许用应力240 MPa，满足要求.综上，接地轴箱端盖和轴箱过渡盖的静强度满足标准要求.

表3 分析结果 MPa

2.1.4 疲劳强度分析

接地轴箱端盖和轴箱过渡盖除承受来自轴箱的三向加速度，轴箱过渡盖还承受来自轴承的横向力，根据EN13749-2011标准，取接地轴箱端盖和轴箱过渡盖的垂向、横向、纵向最大加速度分别为26、5、5 g，根据上述结果，列出疲劳强度分析组合工况如表4所示.

表4 疲劳强度组合分析工况

2.1.5 疲劳强度校核标准

根据接地轴箱端盖及轴箱过渡盖的材料类型得到疲劳强度的校核标准如表5所示.

表5 疲劳强度许用值

2.1.6 疲劳强度分析结果

借助ANSYS软件，在接地装置组合模型上施加各组合工况，组合工况下的接地轴箱端盖与轴箱过渡盖应力分析结果如表6所示.

表6 疲劳强度分析结果 MPa

由表6可知，接地轴箱端盖的最大应力为93 MPa，该数值小于接地轴箱端盖许用应力122 MPa，满足要求，轴箱过渡盖的最大应力为120 MPa，该数值小于轴箱过渡盖的许用应力122 MPa，满足要求.综上，接地轴箱端盖和轴箱过渡盖的疲劳强度满足标准要求.

2.2 螺栓强度校核

采用经典力学算法对整个轴端的连接螺栓进行强度校核，下面以接地回流装置安装螺栓为例展示强度校核过程.

接地回流装置重量约2.5 kg，通过3个M12×55的双头螺柱和接地轴箱端盖连接.

(1)双头螺柱性能参数

双头螺柱强度等级、屈服强度等参数见表7.

表7 螺栓参数

(2)紧固力矩校核

①静态工况校核

根据公式：Ty=rf·Fy

其中,Fy为预紧力，Ty为预紧力矩，rf为摩擦力臂，干摩擦时，一般取rf=0.2 d.则预紧力：

Fy=35 000/(0.2×12)=14 583.3 N

根据VDI2230-2003标准，M12粗牙螺纹的应力截面积为S=84.3 mm2，由于拧紧双头螺柱时其承受拉伸及扭转的联合作用，故总拉力按照增加30%后考虑扭转切应力的影响，于是M12螺栓所承受的名义拉应力为：

σ=1.3Fy/S=224.9 MPa

其许用应力为

[σ]=σs/S=900/1.5=600 MPa

式中,S为安全系数，S=1.2～1.5，取保守值，此处可取1.5.

综上，σ<[σ]，故螺栓强度满足设计要求.

②动态工况校核

工况一：沿螺柱轴向承受振动加速度

根据EN13749标准，轴箱横向振动加速度为10 g，轴端接地回流装置总成重量2.5 kg(不包含摩擦盘)，在振动加速度的作用下单个螺柱上的轴向力为(2.5×10×9.8)/3=81.67 N，单个螺柱的预紧力为1 4583.3 N，远大于轴端接地回流装置在振动加速度作用下产生的轴向力，故满足要求.

工况二：沿螺柱径向施加振动加速度

根据EN13749标准，轴箱垂向振动加速度为70 g、纵向振动加速度为10 g，在振动加速度的作用下单个螺栓产生的径向力为：

在螺柱预紧力的作用下，绝缘垫与轴箱端盖之间有静摩擦力，摩擦系数在没有润滑的情况下为0.2，则静摩擦力为：

14 583.3×0.2=2 916.66 N

抗滑移安全系数：2916.66/577.47=5.05>1.2,满足要求.

经过校核，接地装置各部位安装螺栓均满足使用要求.

3 结论

既有摩擦副为轴向接触形式的接地回流装置不具有收集碳粉的功能，是碳粉进入到轴承内部导致轴温升高的主要原因，本文所展示接地装置通过接地轴箱端盖和接地摩擦盘预留碳粉收集腔结构，具有碳粉收集功能，能够有效解决碳粉污染轴端、导致轴温升高的问题.同时对该接地轴端结构的联接紧固件进行重新选型，提高螺栓连接可靠性.通过有限元仿真分析技术对新接地轴端结构进行计算，对载荷组合工况进行静强度和疲劳强度评估，计算结构及评估结果均满足要求，通过经典力学算法对本接地轴端装置的连接螺栓进行校核，各部位安装螺栓均满足使用要求.综上，本接地轴端装置结构设计合理、强度可靠，在动车组上已批量应用，取得了良好效果.