机车转向架牵引装置对比研究

曾艳梅， 高升辉， 喻佳文

（南车株洲电力机车有限公司技术中心，湖南株洲412001）

0 引言

机车转向架牵引装置是连接转向架与车体的重要部件，传递轮轨间相互作用产生的牵引力和制动装置产生的制动力。牵引装置既要保证机车正常运行时不对转向架与车体的相对运动造成干涉，同时也要适应机车曲线通过时车体相对转向架的转角。

1 两种不同的牵引装置结构

牵引装置（一）主要由牵引杆1、牵引杆2、三角撑杆3和销轴4等组成，如图1所示。牵引杆1水平布置在牵引电机下方，两端通过销轴分别与构架牵引梁和三角撑杆相连；牵引杆2为对称结构，呈倾斜状态，连接车体牵引座的一端高于连接三角撑杆的一端，牵引杆2两端装有橡胶关节以适应机车车体与转向架之间的相对运动，同时起到吸振降噪的作用；三角撑杆通过两支座吊挂在构架前端梁上。

图1 机车转向架牵引装置（一）

牵引装置（二）主要由单牵引杆和压装在牵引杆端部的橡胶关节组成。牵引杆采用箱形焊接结构，并在梁体中间布置有筋板以获得足够的强度和刚度。为了降低牵引点的高度以获得较高的黏着重量利用率，牵引杆从牵引电机下部通过，同时为了保证机车运行时牵引装置与牵引电机之间有足够的间隙，牵引杆采用折弯的结构，如图2所示。

图2 机车转向架牵引装置（二）

2 牵引装置强度和稳定性分析

利用ANSYS软件分别建立有限元分析模型，并采用相同的载荷条件，即牵引装置在承受转向架5g载荷冲击下，对其强度和稳定性进行分析。

2.1 牵引装置（一）强度分析

三角撑杆由撑杆及三角撑杆体两部分组焊而成，撑杆由16MnDR锻造而成，三角撑杆体则由ZG20SiMn铸造而成，其性能指标见表1，应力云图如图3。

表1 三角撑杆的机械性能 MPa

图3 三角撑杆有限元分析

由图3可知，三角撑杆计算最大应力为476 MPa，满足材料抗拉强度极限。

牵引杆1和牵引杆2都采用锻件，材料为42CrMo，其性能指标见表2，应力云图如图4和图5所示。

表2 42CrMo机械性能MPa

由图4和图5可知，牵引杆1计算最大应力为641 MPa，牵引杆2计算最大应力为496 MPa，因此，牵引杆1和牵引杆2都满足材料抗拉极限强度。

车体牵引座采用锻件，材料为C级钢，其性能指标见表3，应力云图如图6。

图4 牵引杆1有限元分析

图5 牵引杆2有限元分析

表3 C级钢机械性能MPa

图6 车体牵引座有限元分析

由图6可知，车体牵引座计算最大应力为568MPa，满足材料抗拉极限强度。

2.2 牵引装置（二）强度分析

单牵引杆全部由16MnDR钢板组焊而成。根据GB 3531《低温压力容器用低合金钢板》、《机械工程材料性能数据手册》以及国际焊接学会《焊接接头与部件的疲劳设计》，其材料的机械性能见表4，应力云图如图7。

表416MnDR的机械性能 MPa

图7 单牵引杆有限元分析

由图7可知，单牵引杆计算最大应力为356 MPa，满足材料抗拉极限强度。

2.3 牵引装置（一）稳定性分析

牵引杆的两端装有关节，为了安全，稳定性计算时将牵引杆两端定位方式简化为铰支结构，其压杆失稳的临界载荷计算式为

式中：Pcr为压杆失稳临界载荷；L为压杆两端铰支点的中心距；Ix为截面惯性矩；E为材料弹性模量。

计算得出牵引杆的临界载荷Pcr1=2 343 kN，Pcr2=2 912 kN。每转向架的启动牵引力Fqql=285 kN。每转向架的最大冲击力（5g）为 Fcj=5×30×9.81=1 471.5 kN。

由计算结果可以看出，牵引杆1和牵引杆2的失稳临界载荷大于其承担的最大冲击载荷1 471.5 kN，因此牵引杆1和牵引杆2是稳定的。

2.4 牵引装置（二）稳定性分析

如图8所示，稳定性计算时将牵引杆两端定位方式同样简化为铰支结构，在受到轴向力F作用时，还受到横向力Q的作用。

图8 牵引杆受力分析图

单牵引杆横截面的最小惯性矩：

单牵引杆横截面面积

转向架5g冲击下，单牵引杆受力情况如下：

轴向力 F=5Mbg×cosβ=5×29 850×9.81×cos1.5°=1 463.64 kN；

横向力 Q=5Mbg×sinβ+5Mbg×cosβ×tanα=5×29 850×9.81×sin1.5°+5×29 850×9.81×cos1.5°×tan1.7°=81.77 kN。

根据《材料力学》［4］可知：

单牵引杆中最大应力为σmax=F/A+Mmax/W=1.79×108Pa；

单牵引杆所受最大压力为 Pmax=σmax×A=1.79×108×8.19×10-3×10-3=1 463.64 kN；

可用欧拉公式计算该牵引杆的临界压力，其失稳临界压力为Pcr=π2EI/（μL）2=3.141 592×2.1×1011×1.79×10-5÷［（1×3.559）2×103］=2 934.37 kN。

综上所述，牵引杆在转向架5g工况下稳定性安全系数为

因此单牵引杆满足压杆稳定性要求。

3结语

文中两种牵引装置其车体端和构架端具有相同的高度，结构上存在差异，经过计算可知，两种牵引装置其强度和稳定性都满足要求。因结构差异导致两种牵引装置名义牵引点高度不同，因而机车黏着重量利用率各异，且牵引装置（一）的黏着重量利用率要高于牵引装置（二），但后者结构简单，生产和制造成本低，维护方便。总之，从机车黏着重量利用率的角度出发，建议采用低牵引点高度的牵引装置（一），只有在满足机车黏着重量利用率的前提下，才选用牵引装置（二）的结构。

［1］ 陈清明，陈喜红，周建斌，等.HXD1B型大功率交流传动电力机车转向架［J］.电力机车与城轨车辆，2011，34（4）：4-8.

［2］ 邹文辉，陈国胜，周建斌.大功率客运机车轮对结构与技术特点［J［.铁道机车车辆，2011，31（1）：82-85.

［3［ 曾艳梅，陶功安，罗华军.ZMA120型地铁车辆转向架构架结构设计［J］.电力机车与城轨车辆，2010，33（1）：14-17.

［4］ 刘鸿文.材料力学［M］.3版.北京：高等教育出版社，1992.