206型转向架制动梁强度性能研究*

刘洪印，王 红，商跃进，赵 波

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070)

0 引言

制动梁是铁道车辆上最重要的部件之一，它的损伤故障对行车安全影响极大。尤其是对安全性能要求更为严格的铁道客车，其制动梁的损伤故障将直接威胁着人们的生命安全。在列车运行过程中，制动梁承受较大的交变载荷及冲击力，制动时承受制动力以及车轮对闸瓦的反作用力，受力状况较为恶劣。虽然制动梁在试用之前均经过了静拉力试验，而且都是合格产品。但经过一段时间的运行，仍然会出现裂纹，产生裂损故障［1］。这说明制动梁静强度虽然满足条件，但疲劳强度不一定合格。因此为了提高铁道客车运行的安全性，有必要进一步对客车制动梁的静强度和疲劳强度进行分析。

笔者以206型客车制动梁为例，对其进行静强度和疲劳强度的校核。

1 206型制动梁静强度分析

1．1 制动梁的组成及结构

206型制动梁是一种直板式制动梁。其结构如图1所示。

图1 206型制动梁结构图

1．2 制动梁有限元分析

1．2．1 模型建立

利用Solidworks三维实体软件对转向架制动梁进行实体建模。由于制动梁的结构和受力的对称性，现只对制动梁的1/2结构进行建模，并对制动梁的强度分析和变形影响不大的结构进行了适当的简化。把简化的实体模型转到有限元Workbench中进行网格划分，共划分59 109个单元，129 268个节点。如图2所示。

图2 制动梁有限元模型

1．2．2 边界约束与载荷施加

根据制动梁的实际受力情况，在其对称面上添加对称约束;制动梁轴与支撑座为面接触，在接触面处添加固定约束。对于客车制动梁静强度的试验方法，在图纸上对制动梁的载荷没有详细的规定。但按一般试验方法应加载两次以上。并规定客车的实验载荷［2］如表 1 所列。

由于笔者以206型制动梁为例，现在其一侧拉环处施加44 kN的力。其边界约束与载荷如图3所示。

表1 我国客车制动梁实验载荷

图3 制动梁边界约束与载荷添加

1．2．3 有限元结果分析

在上述条件下对206型制动梁进行有限元分析，其应力分析结果如图4，应变分析结果如图5所示。

图4 有限元应力分析图

图5 有限元应变分析图

由图4、5可知:制动梁的最大应力位于制动梁轴与支承座接触面上，最大应力为95 MPa;制动梁的最大位移位于对称面处，最大位移为0．55 mm。由于制动梁的材料为 Q235，许用应力为 136 MPa［3］，分析的最大应力值小于许用应力值，故该制动梁满足静强度要求。

2 206型制动梁疲劳强度分析

2．1 疲劳强度评价方法

评价机械元件疲劳强度的方法通常用疲劳极限图，且有High图和Smith图两种形式的疲劳极限图。修正的Goodman-Smith疲劳极限图考虑了应力幅、平均应力等影响因素而做出的，此图常用于铁道机车车辆结构零部件的疲劳设计中。也采用这种方法对制动梁进行疲劳强度校核，通过有限元分析得到结构疲劳关键点部位各测点的应力幅值和平均应力值，判断各个测点是否在Goodman-Smith疲劳极限图封闭曲线的范围内来进行评估。结合静强度分析与以往运行的经验，选取了三个关键点，即制动梁轴与支承座接触处、制动梁轴与制动梁杆连接处、制动梁杆与拉环接触处。

以制动梁在启动和紧急制动［7-8］两种特殊工况下的应力值，来计算各关键点的平均应力和应力幅值。紧急制动情况下，制动梁的闸瓦压力FK、摩擦系数f和制动力F的计算公式［9］为:

式中:dz为制动缸直径，mm;pz为制动缸空气压力，kPa;ηz为基础制动装置计算传动效率;γz为制动倍率;nz为制动缸数;nk为闸瓦数。

以铁路车辆［6］在紧急制动最恶劣情况下为例，则v与v0均为零，制动缸的空气压力η=420 kPa，传动效率 η =0．9，K=25 kN，制动缸直径 d=200 mm［4］。经计算可得制动力F=61．7 kN。经有限元分析得紧急制动情况下制动梁的最大应力为68 MPa，发生在制动梁杆与拉环接触处。

根据公式(4)、(5)计算得该三个关键点的平均应力与应力幅值如表2所列。

表2 关键点的平均应力与应力幅值 /MPa

2．2 Goodman疲劳极限图绘制

Goodman疲劳极限线图以最大应力、最小应力为纵坐标，平均应力为横坐标。图中能显示疲劳极限的上应力和下应力的极限值，且反映了平均应力对疲劳极限的上限值、下限值和应力幅的影响。

绘制Goodman疲劳极限图的关键是要测出材料的强度极限σb、屈服极限σyt及对称循环下的疲劳极限σ-1N。根据文献［5］绘制疲劳极限图如图6。

图6 Goodman疲劳极限线图

2．3 制动梁的疲劳强度分析

根据三个关键点的平均应力和应力幅值，在Goodman疲劳强度修正曲线中进行疲劳强度评价。结果如图7所示。

图7 制动梁关键点的疲劳校核图

由图7可知，制动梁各关键点均在疲劳极限图内，故满足疲劳强度要求。

3 结论

根据我国客车制动梁运用情况及设计标准的规定，制动梁在设计和制造时，除了要考虑其静强度的要求，还要考虑列车在运行过程中由于振动而产生的疲劳破坏。笔者针对206型制动梁进行了静强度分析及其疲劳强度分析，并最终验证206型制动梁符合我国制动梁的设计标准。

(1)206型制动梁的最大应力发生在制动梁轴与支承座接触面上，最大值为95 MPa。该应力值小于许用应力，满足静强度要求。

(2)206型制动梁易发生疲劳破坏的危险截面位于制动梁轴与支承座接触处、制动梁轴与制动梁杆连接处和制动梁杆与拉环接触处。通过疲劳极限图对三个危险截面进行了疲劳强度校核，结果证明206型制动梁满足疲劳强度要求。

［1］ 王 俞．转K2型转向架制动梁故障分析及对策研究［D］．大连:大连交通大学，2008．

［2］ 郑回春．车辆制动梁强度与试验方法研究［J］．铁道车辆，1994(6):29-32．

［3］ 毛志宏，王 红，商跃进．转8A弓型制动梁的强度性能研究［J］．兰州交通大学学报，2004(3):91-93．

［4］ 王洪智，王 红，商跃进，等．209型客车转向架制动梁的强度性能研究［J］．兰州交通大学学报，2009(4):121-123+127．

［5］ 赵永翔，杨 冰，彭佳纯，等．铁道车辆疲劳可靠性设计Goodman-Smith图的绘制与应用［J］．中国铁道科学，2005(6):8-14．

［6］ 中华人民共和国铁道部．TB/T 1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范［S］．1997．

［7］ 陈建农．制动梁的有限元分析［J］．铁道车辆，2000(1):34-36．

［8］ 董 博，于兆华．铁道货车组合式制动梁试验方法研究［J］．铁道技术监督，2008(9):8-11．

［9］ 黄问盈，杨宁清，黄 民．列车制动力的二次换算计算［J］．中国铁道科学，1999(2):69-80．