车辆减速器适应铁路重载发展的关键技术研究

2015-01-01李秀杰

铁道通信信号 2015年10期

李秀杰

1 重载对减速器的主要影响

继高速铁路的大发展，货运重载成为未来技术投入的重要方向。高速铁路主要对通信信号类产品的性能要求提高，而货运重载主要对线下基础、机械设备等产品的强度要求提高。例如基础和桥梁、基本轨、对与车辆轴重相关的各类基础设备等。因此，必须掌握重载对设备的影响因素、影响程度，提出针对性的措施应对，完善科学的评价方法和验证手段，提高设备的设计水平，为铁路重载的发展保驾护航。

车辆减速器是驼峰编组站的重要调速设备，其设计强度、寿命与货车轴重具有强相关性。轴重对减速器寿命的影响为非线性，因此，需要提高车辆减速器的强度，提高其轴重适用范围，以满足未来重载发展的需要。

2 问题分析

通过对全路多个编组站的调研，过去几年的重载发展，已经对既有减速器的使用有较大的影响，主要体现在以下几个方面：混凝土基础破损；关键零部件制动钳断裂；重要受力部件制动轨出现裂纹等。

2.1 轨枕板基础破损问题及分析

减速器既有轨枕板基础外形较复杂，有高出的承轨台。通过预制或现场施工方式，采用二次浇筑方法将多块轨枕板连接成为整体道床。轨枕板在生产、使用和维修等过程中，存在以下不足：

1.生产问题。因轨枕板形状复杂，表面易产生气泡，脱模时易造成边角破损。整体道床二次浇筑易造成界面结合不良，易形成裂纹。

2.安装问题。由于现场施工时间紧，很多站场由于施工不当造成固定座压住基本轨，而工作中基本轨需要浮起，通过固定座螺栓将轨枕板混凝土拔起，轻者造成承轨台裂纹，严重时导致承轨台整体破坏。另外，紧固硫磺锚固螺旋道钉扭矩超过标准会造成混凝土破损。

3.强度问题。混凝土材料本身抗拉、抗压强度差异大，其比值约为1/18～1/9。当下部基础碎石中间高出时，容易使轨枕板中部弯曲产生拉应力，造成断裂。

4.维修问题。每天半小时停轮时间维修，时间严重不足。维修难度大。环氧树脂等施工材料对环境温度要求高，且需要模板，修后需要静停养护。因此，轨枕板的修复一直都是减速器维修的一个难点。

2.2 制动钳断裂问题及分析

近几年，随着铁路重载的发展，减速器制动钳出现了不适应情况。形式为疲劳断裂。损坏部位主要为制动轨翅膀根部。其过程为：首先从此部位出现细小裂纹，然后裂纹逐渐发展成大裂纹，最后造成断裂。原因分析：

1.制动轨紧固用螺栓的松动会加剧制动轨和制动钳组的振动，造成断轨或断钳现象。因此日常维修中需要保证螺栓紧固。

2.减速器下部地基不均匀、沉降加剧，导致设备冲击、振动加剧，调整不及时，会加速减速器的疲劳破坏。预防措施为：严密监测减速器基础的沉降情况，整体道床沉降量超过违规标准时，工务部门必须及时整修。

3.内外钳上，制动轨调整垫片厚度不均匀，及减速器开口尺寸调整不当，会造成制动钳受力不均匀，致使个别钳组单独受力，导致各个击破的联锁反应。因此在维修中，内外钳加垫片厚度要保证基本一致，只加内侧或者外侧的方式会造成内外钳受力不均，影响设备性能和零件寿命；为了维修方便，现场经常只在外侧加调整垫片，造成內钳后支撑处受力点悬空，高强度螺栓挤压制动钳螺栓长孔，如图1所示，致使翅膀位置处于非正常受力情况，导致制动钳断裂，如图2所示。

图1 不均匀加垫片导致的螺栓压痕

图2 翅膀断裂情况

2.3 制动轨裂纹问题及分析

从2013年以来，少量制动轨出现裂纹，极个别出现断裂的情况，这与重载轴重提高，恶化了减速器使用工况有关。制动轨原有的安全余量被吃掉，虽然问题是偶发的，但必须引起重视，采取相应措施控制问题进一步发展。

从现场使用情况可以看出，采用75kg/m制动轨的减速器，制动轨和制动钳的使用状况都明显优于采用60kg/m制动轨的减速器。这与理论计算结果相符。主要是因为采用75kg/m制动轨后，抗弯截面系数增加，75kg/m型轨高192mm，60kg/m轨轨高176mm，抗弯截面系数为高度的3次方，75kg/m型轨抗弯截面系数比60kg/m轨增加约30%，因此制动轨使用中的最大应力值降低。同时因为制动轨的刚度好，分担了更多的制动力，因此制动钳的受力情况同时改善；另外75kg/m轨减速器制动时振幅小，螺栓的振动小，螺栓不易松动，整台减速器运行比较稳定。而60kg/m制动轨强度低、刚度小，在制动过程中变形与振动较大，带动制动钳也随之变形与振动，导致减速器在使用过程中不够平稳，出现的问题较多。从理论分析、计算和现场应用均可以得出结论：采用75kg/m型制动轨的减速器在同等车重条件下，工作状态好于采用60kg/m型制动轨的减速器。

3 解决方案

3.1 基础破坏的对策

1.采用预应力混凝土技术，对轨道板施加预应力，提高轨道板抗拉强度。

2.整体混凝土钢模，高频振捣技术。

3.现地蒸汽养生和浸水养生。

将以上新工艺应用于轨道板生产中，基础的整体水平焕然一新。另外，减速器轨道板采用了外形简单的平板结构设计，采用了与轨道板配套的钢台座技术。将凸起的混凝土承轨台用整体钢结构的钢台座替代，简化外形，消除了复杂形状造成的应力集中。钢台座代替混凝土材料受拍击，避免了拍击造成的破坏。钢台座底面与混凝土接触面积大，是轨枕板的几倍，分散了受力，减小了压强，改善混凝土局部受力过大的状况。

采用钢台座和轨道板结合的这种基础称为钢台座轨道板，也简称为轨道板，相应的减速器称为轨道板式减速器。轨道板在受力状况中的表现明显优于轨枕板的方式。

钢台座轨道板技术提高了基础强度，延长了使用寿命，为减速器适应重载运输发展提供了解决方案。

3.2 制动钳断裂的对策

制动钳的使用状况除了需要保证正常维修维护外，从设计上改进，提高制动钳的轴重适用范围是解决问题的根本。

有限元计算方法是零部件进行力学分析和结构强度分析的有效手段，在制动钳强度设计时，采用有限元分析软件进行综合分析和验算，根据计算结果再进行结构优化设计，使制动钳整体受力分布均匀，从而提高了制动钳的机械强度。

制动钳是减速器的关键零部件，其外形复杂；工作中受力情况也比较复杂；车辆在减速器区段经过时，车辆处于不同的位置对应制动钳不同的受力状态；制动钳各部位的应力最大值不是同时出现，而是出现于不同时刻的工况，需要分别模拟和校核，才能全面校核制动钳各部位的强度。图3所示为制动钳在某一种工况时的变形情况，图中，制动钳不同的方向上均有变形及应变，其应力最大值也是各向应力的复合，可见其受力状况的复杂。

图3 制动钳工作时的变形情况

图4为制动钳组的有限元计算应力分布情况，零部件不同的颜色分布情况对应不同的应力大小，可以通过对照图中右上角的图例，查询具体的应力值范围，也可以通过软件的查询功能查出局部范围的最大应力值。对于应力较大的地方，需要通过结构优化消除，改善应力分布情况，使之更均匀，避免应力集中。通过有限元计算和结构优化，制动钳的受力状况得到了明显改善，大大提高了制动钳的强度和寿命。

图4 制动钳组的有限元计算应力分布

采用有限元方法进行校核和结构优化，定量分析、精细设计，改变了原有理论公式计算的粗放性，改善了传统计算采用截面平均应力计算方法误差大的问题。

采用三维仿真技术建立车辆减速器仿真分析平台，对减速器进行有限元分析、机械强度校核、疲劳寿命分析、结构优化设计。丰富了验证手段，提高了设计水平。

3.3 制动轨裂纹的对策

制动轨是减速器实现减速功能的最后环节，与车辆直接接触，受到正压力、同时受到不同方向的摩擦力、谐振等，受力复杂。尤其在制动轨的入口和出口，还会受到车辆进入喇叭口的冲击，出入口处制动轨的悬臂梁结构，受力状况最为恶劣。因此制动轨也是消耗品和易损件。通过有限元分析，可以了解制动轨在工作时的受力状况，图5为有限元计算制动轨的应力分布和变形情况。

图5 制动轨的应力分布和变形情况

在工程中，为了保证材料的强度、刚度、热处理水平及耐磨性，通常采用不同型号的基本轨进行加工，作为制动轨使用。重载发展以前，60kg/m型制动轨强度基本满足使用需求，是较经济的选择，但随着重载发展，车辆轴重加大，60kg/m制动轨显现出强度不足。因此，避免制动轨损坏最直接的方式就是将制动轨从60kg/m型升级为75kg/m型。通过有效的设计，可以达到2种型号减速器零部件兼容性的最大化，即仅有制动钳需要重新设计，而其他所有零部件均可以兼容的情况。在T.JK3－B50型减速器上实现了这样的设计，现场升级时，既延续了现场既有设备的可利用价值，同时提高了设备的强度和可靠性。

4 轨道板式减速器样机试制

减速器在目前重载的发展阶段，其主要问题均有了解决方案，在新型减速器设计和既有减速器改进中，应用了新技术，设计进行了重大升级。为了验证理论分析结果，试制了样机，进行了现场试验。

1.钢台座轨道板式基础解决了既有轨枕板基础的问题，由于其外形、强度、寿命等综合水平的提高，受到用户的欢迎。

2.新型制动钳结构，在新产品设计和既有产品中，均通过有限元分析计算及结构优化，强度大大提高。

3.75kg/m型制动轨在间隔位减速器中全部得到应用，大大提高了制动轨的强度和整机的强度。铁科院的减速器系列产品，间隔位减速器应用了轨道板、新型制动钳、75制动轨的新技术，型号为 T.JK3－B60型、T.JK3－B50型轨道板式减速器。目的位减速器应用了轨道板、新型制动钳技术，型号为T.JK2－B50型轨道板式减速器。轨道板式减速器在苏家屯、宝鸡东、太原、阜阳、新丰镇、侯马等站场安装使用。