劉文松

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

0 引言

國(guó)內(nèi)第一個(gè)二系懸掛使用空氣彈簧的轉(zhuǎn)向架是209PK型轉(zhuǎn)向架，于1987年研制成功，該空氣彈簧的使用，使得抗側(cè)滾扭桿也相應(yīng)第一次運(yùn)用于國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)向架上，隨后在209TK、209HS、CW-2系列、AM96型轉(zhuǎn)向架均使用抗側(cè)滾扭桿。近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路迅猛發(fā)展，扭桿類(lèi)產(chǎn)品作為軌道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架上的系統(tǒng)部件，隨著空氣彈簧的運(yùn)用而被廣泛使用。

扭桿裝置的作用是調(diào)節(jié)車(chē)輛安全運(yùn)行所需的抗側(cè)滾剛度，滿(mǎn)足車(chē)輛運(yùn)行所需的脫軌系數(shù)和柔性系數(shù)要求，以此來(lái)彌補(bǔ)因空氣彈簧的使用造成的抗側(cè)滾剛度不能滿(mǎn)足運(yùn)行要求的問(wèn)題。從理論角度分析［1］，車(chē)輛的固有參數(shù)柔性系數(shù)S，定義為曲線(xiàn)上車(chē)輛橫斷面中心線(xiàn)、兩軌頂面垂線(xiàn)間的夾角γ與曲線(xiàn)超高角σ之比，即S=γ/σ，當(dāng)S大于某一值后，車(chē)輛在曲線(xiàn)上很可能侵入限界，增加抗側(cè)滾扭桿剛度Kφ，則S值減小。這里特別說(shuō)明，扭桿的剛度包括扭桿本身的扭轉(zhuǎn)剛度和安裝了抗側(cè)滾扭桿后車(chē)體（或搖枕）所增加的側(cè)滾剛度，由于前者并不能說(shuō)明抗側(cè)滾扭桿的效果，因此，扭桿剛度的選擇主要指后者。研究［1-3］和實(shí)際使用表明，采用抗側(cè)滾扭桿裝置是較好的解決方案，能夠有效降低曲線(xiàn)上侵入限界的可能。

1 典型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)代新材）已經(jīng)開(kāi)發(fā)研究出多種扭桿，抗側(cè)滾扭桿裝置的連桿和扭桿分別與車(chē)體和轉(zhuǎn)向架連接，根據(jù)不同的車(chē)體和轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)，可分為外置式扭桿和內(nèi)置式扭桿，區(qū)別在于支撐座組件位于連桿外側(cè)或是內(nèi)側(cè)。外置式扭桿裝置中的節(jié)點(diǎn)又可分為硬支撐和軟支撐，一般硬支撐是指金屬關(guān)節(jié)，主要通過(guò)球面的滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；而軟支撐一般為支撐球鉸，這種橡膠關(guān)節(jié)主要通過(guò)橡膠的壓縮變形來(lái)適應(yīng)側(cè)滾時(shí)扭桿裝置的位置變化。另外按照扭桿裝置又可分為正裝型和反裝型，若連桿在上扭桿在下則為正裝型，反之為反裝型，根據(jù)空氣彈簧的安裝位置選擇相應(yīng)的安裝形式。

另外扭桿裝置還有幾種分類(lèi)方式，根據(jù)扭桿軸的形式不同將其分為直扭桿和彎扭桿；按照扭桿軸和扭轉(zhuǎn)臂之間是否可拆卸，分為整體式和分體式。在整體式中又分為過(guò)盈配合式和間隙連接式，過(guò)盈配合一般指圓柱熱套和鍵熱套，而間隙連接式一般采用鍵連接；按照連桿結(jié)構(gòu)又可將其分為固定式連桿和可調(diào)式連桿，二者區(qū)別在于能否自身調(diào)節(jié)連桿長(zhǎng)度，從而滿(mǎn)足車(chē)體的平衡需求。

目前研制的扭桿有CRH1系列，具體有CRH1A、CRH1A-200、CRH1A-250、CRH1B、CRH1E；CRH2 系列，具體有 CRH2-500、CRH2A、CRH2B、CRH2C（ CRH2C 一階段、CRH2C二階段）、CRH2E；CRH3系列，具體有 CRH3C；CRH5 系列，具體有 CRH5A，CRH5AL；CRH380 系列，具體為 CRH380A、CRH380AL、CRH380B、CRH380BL、CRH380C、CRH380CL、CRH380D。下面重點(diǎn)介紹幾種典型抗側(cè)滾扭桿的特點(diǎn)， 包括 CRH2-500、CRH380D、CRH3、CRH1A-250、CRH5A扭桿，這幾種扭桿的特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 典型扭桿的特點(diǎn)對(duì)比

1.1 CRH2-500型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿

圖1 CRH2-500型動(dòng)車(chē)組抗側(cè)滾扭桿總裝圖

CRH2-500試驗(yàn)車(chē)項(xiàng)目扭桿用于四方股份自主研發(fā)的設(shè)計(jì)速度為500km/h的新一代高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輛。該項(xiàng)目扭桿的部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒CRH380A動(dòng)車(chē)組車(chē)輛扭桿，其桿軸與扭轉(zhuǎn)臂采用花鍵熱套過(guò)盈連接，花鍵加工及連接可靠性決定了整個(gè)系統(tǒng)可靠性；垂向連桿通過(guò)銷(xiāo)套組合與扭轉(zhuǎn)臂連接，下緩沖關(guān)節(jié)采用桿端軸承；垂向連桿采用可調(diào)高度的兩段式，連桿上桿體通過(guò)螺紋與桿端軸承連接，其總裝圖如圖1所示，其零部件材料使用情況見(jiàn)表2所示。CRH500試驗(yàn)車(chē)項(xiàng)目抗側(cè)滾扭桿的加工難點(diǎn)在于圓柱直齒漸開(kāi)線(xiàn)花鍵的加工，組裝后，扭桿裝置兩端高度差不超過(guò)2 mm，兩連桿中心距尺寸公差±1 mm以?xún)?nèi)。

1.1.1 CRH2-500型抗側(cè)滾扭桿強(qiáng)度分析

本文應(yīng)用ABAQUS分析了CRH2-500試驗(yàn)車(chē)扭桿裝置在極限垂向載荷43.5 kN下扭桿軸和扭轉(zhuǎn)臂應(yīng)力情況，應(yīng)力分布見(jiàn)圖2～圖5，扭桿軸的最大應(yīng)力為1 008 MPa，應(yīng)力最大區(qū)域是扭桿支撐處圓弧外表面，圖3中的橫截面應(yīng)力分布，可看出扭桿軸的圓心處應(yīng)力最小，由內(nèi)向外應(yīng)力逐漸增大，表面處應(yīng)力達(dá)到最大，扭轉(zhuǎn)臂的應(yīng)力分布見(jiàn)圖4，最大應(yīng)力為174.3 MPa。

表2 零部件材料

圖2 扭桿組件在極限載荷43.5 kN下的應(yīng)力分布云圖

圖3 扭桿軸在極限載荷43.5 kN下的應(yīng)力分布云圖

圖4 扭轉(zhuǎn)臂在極限載荷43.5 kN下的應(yīng)力分布云圖

圖5 連桿在極限載荷43.5 kN下的應(yīng)力分布云圖

應(yīng)力結(jié)果比較見(jiàn)表3。

表3 應(yīng)力結(jié)果比較

根據(jù)對(duì)扭桿裝置的有限元分析，得到扭桿軸及扭轉(zhuǎn)臂的應(yīng)力分布情況，可以發(fā)現(xiàn)在極限荷載43.5 kN作用下，扭桿軸和扭轉(zhuǎn)臂的最大應(yīng)力均小于相應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度，具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，在常規(guī)載荷21.6 kN下，使用性能會(huì)更加可靠。

1.1.2 CRH2-500型抗側(cè)滾扭桿型式試驗(yàn)

按照相關(guān)文獻(xiàn)［4-5］及試驗(yàn)大綱的要求，對(duì)CRH2-500抗側(cè)滾扭桿進(jìn)行了各項(xiàng)性能試驗(yàn)。在連桿處加載垂向載荷Fz=0～±20 kN，檢測(cè)連桿垂向位移，反復(fù)三次，分別記錄載荷位移曲線(xiàn)，如圖6，每次加載時(shí)間間隔不少于20min，經(jīng)計(jì)算整體剛度試驗(yàn)結(jié)果為2.52 MN·m/rad，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 CRH2-500抗側(cè)滾扭桿整體剛度載荷—位移曲線(xiàn)

表4 疲勞試驗(yàn)要求

對(duì)于彈性試驗(yàn)，預(yù)壓2 kN時(shí)，用百分表測(cè)量并記錄扭轉(zhuǎn)臂所在位置的高度并標(biāo)記為零點(diǎn)，然后壓縮44.0 mm，保壓1 min，卸載并回到自然狀態(tài)后再讀出百分表的數(shù)值為0.65 mm，符合小于1.1 mm的技術(shù)要求。另外按照CRH2-500型動(dòng)車(chē)組抗側(cè)滾扭桿的設(shè)計(jì)和使用要求，完成1 000萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，加載工況列于表4，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均符合技術(shù)要求，并對(duì)試驗(yàn)后扭桿裝置進(jìn)行探傷檢測(cè)，結(jié)果沒(méi)有任何裂紋出現(xiàn)。

1.2 CRH380D型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿

圖7 CRH380D型動(dòng)車(chē)組抗側(cè)滾扭桿裝置

CRH380D型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿裝置，如圖7所示，是時(shí)代新材為龐巴迪公司CRH380D型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架所提供的扭桿裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)向架的位置，該扭桿裝置采用反裝式。其剛度為2.5MN·m/rad。安裝后車(chē)輛的傾覆系數(shù)與柔性系數(shù)分別減少約6.5%和21%，可使車(chē)輛的傾覆性能得到明顯的改善。安裝抗側(cè)滾扭桿后，CRH380D型動(dòng)車(chē)組大大降低了車(chē)輛通過(guò)道岔時(shí)的側(cè)滾角，同時(shí)確保了車(chē)輛通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)不超過(guò)限界。

CRH380D型動(dòng)車(chē)組抗側(cè)滾扭桿裝置的扭桿軸與扭轉(zhuǎn)臂采用熱套過(guò)盈連接，連桿為雙頭連桿，可調(diào)整連桿長(zhǎng)度，連桿關(guān)節(jié)為金屬關(guān)節(jié)，為滿(mǎn)足安裝需要扭桿支撐為橡膠件內(nèi)置支撐。

1.3 CRH3型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿

CRH3扭桿是時(shí)代新材為北車(chē)唐山軌道客車(chē)股份有限公司開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)化扭桿。扭桿采用外置式的直扭桿裝置，其中扭桿軸與扭轉(zhuǎn)臂以熱套過(guò)盈連接，扭桿軸與鋼套以熱套過(guò)盈連接，如圖8所示，另外由于該類(lèi)扭桿應(yīng)用于北方，故對(duì)其低溫使用性能要求較高。

扭桿軸材料為52CrMoV4，各項(xiàng)性能優(yōu)異，扭轉(zhuǎn)臂的原材料42CrMo4已被廣泛應(yīng)用于歐洲鐵路的同類(lèi)產(chǎn)品。扭桿軸采用端部鐓粗和浮動(dòng)磨削工藝，表面進(jìn)行噴丸處理；扭轉(zhuǎn)臂采用模鍛與機(jī)加工的成形方式；鋼套直接機(jī)加工成形，產(chǎn)品性能優(yōu)越，穩(wěn)定性好。

圖8 CRH3扭桿

1.4 CRH1A-250型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿

圖9 CRH1A-250動(dòng)車(chē)組扭桿

CRH1A-250扭桿是時(shí)代新材為青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司開(kāi)發(fā)，運(yùn)用于CRH1系列動(dòng)車(chē)組，如圖9所示。安裝抗側(cè)滾扭桿后，CRH1A-250動(dòng)車(chē)組大大降低了車(chē)輛通過(guò)道岔時(shí)的側(cè)滾角，同時(shí)確保了車(chē)輛通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)不超過(guò)限界。CRH1A-250動(dòng)車(chē)組扭桿項(xiàng)目扭桿軸與扭轉(zhuǎn)臂采用熱套過(guò)盈連接，為滿(mǎn)足安裝需要扭桿支撐為兩半式橡膠內(nèi)置支撐，最大特點(diǎn)為扭桿裝置中間部位采用套管保護(hù)，保護(hù)罩材質(zhì)為ST35。

1.5 CRH5A型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿

CRH5A扭桿是時(shí)代新材為阿爾斯通開(kāi)發(fā)的扭桿，該型扭桿分為動(dòng)車(chē)扭桿和拖車(chē)扭桿兩種規(guī)格，其接口尺寸均相同，唯一的差異是扭桿軸中間部位的直徑尺寸，直徑較大的規(guī)格為動(dòng)車(chē)扭桿，直徑較小的規(guī)格是拖車(chē)扭桿，兩種規(guī)格的扭桿均是通過(guò)扭桿軸與扭轉(zhuǎn)臂過(guò)盈聯(lián)接形成。CRH5A動(dòng)車(chē)組耐寒性能較好，其承受溫度范圍可達(dá)±40℃，故而對(duì)零部件的低溫性能要求較高，其中扭桿軸的沖擊功要求較標(biāo)準(zhǔn)要求高出40%，扭轉(zhuǎn)臂也是在常溫沖擊功的基礎(chǔ)上增加了低溫沖擊功要求。

圖10 CRH5動(dòng)車(chē)組扭桿

CRH5A動(dòng)車(chē)組一個(gè)轉(zhuǎn)向架上安裝兩套扭桿，且扭桿的安裝方式較常規(guī)扭桿也有明顯的不同。常規(guī)的扭桿通常是將扭桿軸固定，扭轉(zhuǎn)臂與連桿相連，扭桿軸只會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，而不會(huì)出現(xiàn)其他運(yùn)動(dòng)。該型扭桿是將扭轉(zhuǎn)臂固定在構(gòu)架上，扭桿軸與連桿相連，節(jié)點(diǎn)位于連桿上，實(shí)際工況中，扭桿軸不但發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，而且會(huì)出現(xiàn)上下擺動(dòng)。

1.6 結(jié) 論

以上幾種扭桿在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料選取、工藝等均按照EN標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)要求進(jìn)行。在確定各類(lèi)抗側(cè)滾扭桿各項(xiàng)性能參數(shù)時(shí)，時(shí)代新材還進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析計(jì)算，從理論角度和試驗(yàn)角度確保設(shè)計(jì)的可行性。另外按照型式試驗(yàn)大綱的要求，對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行取樣測(cè)試性能，結(jié)果表明，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合技術(shù)規(guī)范要求，而且還具有一定的強(qiáng)度等儲(chǔ)備。

2 抗側(cè)滾扭桿關(guān)鍵技術(shù)

抗側(cè)滾扭桿在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)用許多關(guān)鍵技術(shù)，下面重點(diǎn)介紹端部鐓粗、噴丸強(qiáng)化的應(yīng)用。

2.1 端部鐓粗工藝

扭桿軸的結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)形的階梯軸，一般兩端粗中間細(xì)。目前國(guó)內(nèi)的主要工藝為機(jī)加工，即通過(guò)圓鋼直接切削成扭桿軸的形狀尺寸，但這樣就破壞了扭桿軸階梯部分的金屬纖維流線(xiàn)的延展性，而時(shí)代新材采用的端部鐓粗工藝，是首先將磨光原材料按照扭桿軸所需料的長(zhǎng)度下料，再將其放在臥式鐓粗成型機(jī)上，其模具卡住原材料，通過(guò)鐓錘對(duì)料的兩端進(jìn)行鐓粗，使其變成階梯狀［6］。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的金屬纖維流線(xiàn)順延性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)階梯處金屬纖維流線(xiàn)的順延性能夠得到保證，這樣會(huì)提高扭桿軸的疲勞性能及綜合使用性能。兩種工藝的金屬流線(xiàn)對(duì)比如圖11所示。

圖11 兩種工藝下的金屬流線(xiàn)

2.2 噴丸強(qiáng)化

噴丸強(qiáng)化是一種受控噴丸技術(shù)，不同于普通噴丸噴砂清理。噴丸清理以去除工件表面油污、氧化皮、銹蝕和機(jī)械加工毛刺為目的，扭桿軸的噴丸強(qiáng)化主要是借助于高速運(yùn)動(dòng)的彈丸沖擊其表面，使其發(fā)生彈性、塑性變形，從而產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力、加工硬化和組織細(xì)化等有利的變化，以提高扭桿軸的疲勞強(qiáng)度，是提高其使用壽命的重要途徑［7］。這是因?yàn)樵摴に嚥捎娩撏韪咚贀舸蚺U表面，從而在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，消除工件內(nèi)部本身存在的拉應(yīng)力，改善扭桿的疲勞性能，從而提高其使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)幾種典型動(dòng)車(chē)組抗側(cè)滾扭桿如CRH2-500，CRH380D，CRH3，CRH1A-250，CRH5A 進(jìn) 行 了 介紹，通過(guò)時(shí)代新材對(duì)其進(jìn)行的研究、試制及生產(chǎn)，這幾類(lèi)扭桿產(chǎn)品已成功應(yīng)用于部分國(guó)內(nèi)外軌道車(chē)輛，同時(shí)，這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路、計(jì)算方法、加工工藝以及先進(jìn)的整體性能測(cè)試方法，為我國(guó)扭桿裝置的研制提供了大量可靠的原始參數(shù)和重要的試驗(yàn)分析手段，為今后高速車(chē)轉(zhuǎn)向架上抗側(cè)滾扭桿裝置的研究積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了扭桿類(lèi)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

在功能上，未來(lái)扭桿設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在輕量化方面和人性化設(shè)計(jì)方面，輕量化是指提出大膽設(shè)想，將扭桿軸由實(shí)心，逐漸向中心材料遞減發(fā)展乃至達(dá)到薄壁空心。而人性化設(shè)計(jì)方面是指讓產(chǎn)品適應(yīng)旅客，而非旅客適應(yīng)產(chǎn)品，在滿(mǎn)足旅客乘車(chē)要求的同時(shí)，不斷進(jìn)行功能創(chuàng)新，使?jié)撛诠δ艿玫匠浞职l(fā)揮，并采用新技術(shù)和手段擴(kuò)大產(chǎn)品功能，使其得到創(chuàng)新和完善。

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