长大货物车适应THDS轴温探测技术的研究

常 邦 灿

(中铁特货物流股份有限公司 装备部，北京 100055)

铁路长大货物车是供运输质量特大或体积特大的货物的车辆，其载重大，运行速度低，结构复杂，所运输的货物均为国家重点工程项目的关键设备，若发生列车燃轴切轴等事故，必将造成巨大经济损失和社会影响。为保证长大货物车运输安全，及时发现热轴，防止热切轴事故的发生，应对长大货物车进行适应THDS轴温探测技术的研究，以满足长大货物车轴温检测的要求。

1 THDS探测原理及技术要求

车辆THDS轴温探测系统是利用轨边红外线高速探头和智能跟踪装置，在列车运行状态下自动计轴计辆，测量轴承温度，预警故障热轴，实时检测运行铁路货车的轴承温度并进行跟踪报警，对及时发现铁路货车热轴，防止热切轴事故的发生起到了非常重要的作用。

THDS探测系统按探测角度分为内探和外探2种。内探是通过内侧红外线传感器(简称探头)探测轴承中底部温度；而外探则是通过外侧探头探测轴承端部温度。轴温探测示意图如图1所示，设备在轨边的安装位置和探测边界示意图如图2所示。

图1 轴温探测示意图

根据探头在轨边的安装位置、探头角度及轮对组成尺寸，确定了适应内探和外探的技术要求如下：

(1) 装用D级轴承，轴心距弹簧承载座下平面212 mm的轴箱，最小开孔角度应不小于85°；装用E级、AAR F 级、AAR K级轴承，轴心距弹簧承载座下平面200 mm的轴箱，最小开孔角度应不小于78°。轴箱体开孔宽度应不小于122 mm。

(2) 距轨面高295 mm，轮对两轴箱体外侧距离不大于2 181 mm。

2 长大货物车轴箱对THDS适应性分析

截至2017年底，中铁特货物流股份有限公司配属长大货物车共计33种车型，各车型的转向架及轴箱结构各不相同，具体如下：

(1) D17A、D12、D26A、D12K、D26AK、D15A和DK17A共7种车型，分别装用转K1型、转8AG型、转K2型、转K6型通用货车转向架，采用承载鞍结构，能够适应THDS轴温内探和外探要求。

(2) D10A型凹底平车、D38型钳夹车和D30G型双联平车在距轨面高295 mm处轮对两轴箱体外侧距离为2 148 mm(<2 181mm)，能够适应THDS轴温外探要求。虽然这3种车型轴箱下部被遮挡，不能适应内探要求，但也能达到轴温监测的目的，可不进行改造。

(3) DQ45、DA37、D45等共23种车型采用焊接构架式转向架，采用一系轴箱弹簧悬挂和导框式轴箱定位，因轴箱下部封闭(图3)，不能适应内探要求；在距轨面高295 mm处，轮对两轴箱体或下均衡梁外侧距离大于2 181 mm，也不能适应外探要求。因此该轴箱需经过改造才能适应THDS轴温探测要求。

图3 现车轴箱结构

根据投资回报率的分析研究结果，研制年代较早、技术落后、已达到或接近报废期的D70、D15、D2、D23G、D10、D2G、D18A及D25A共8种车型88辆车不再进行改造；而2000年以后研制的D9A、DA21、DA25、DA26、D32、D32A、DA37、DK23、DK36A、DK36、D45、D22A、D22B、DQ35、DQ45共15种车型81辆车则需要进行轴箱适应THDS轴温探测要求的改造。

3 改造方案的确定

轴箱适应THDS轴温探测要求的改造方案有2种：一种是对现车轴箱进行改造以适应内探或外探要求；另一种是研制新轴箱，使其符合THDS轴温探测要求，同时满足与现车轴箱的互换要求。不论采取哪种方案，轴箱性能必须满足TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》要求。

3.1 现车轴箱的改造

现车轴箱改造方案分为在箱体下部开孔以适应内探或将轴箱体外部挡边或下均衡梁减小以适应外探。

以DK36型落下孔车为例，按内探要求对轴箱体下部开探测孔。经有限元计算，最大应力为167 MPa，超过B级钢许用应力(150 MPa)，不满足TB/T 1335—1996标准要求，因此现车轴箱无法通过改造满足内探要求。轴箱体底部开孔三维模型及应力计算结果如图4所示。

图4 轴箱体底部开孔三维模型及应力计算结果

按外探要求，将DK36型落下孔车现车轴箱中心夹角为85°范围的下部宽度单侧去掉22 mm，使轴箱体下部宽度缩小，如图5所示。经有限元计算，改造后的轴箱最大应力与现车轴箱相比略有增加，由122 MPa变为124 MPa，满足TB/T 1335—1996标准要求。但与原轴箱相比，由于两侧主筋板切穿，产生了截面突变，且轴箱改造加工工艺复杂，另外现车轴箱经长时间使用后存在一定的损伤积累。因此，考虑到现车轴箱通过改造适应外探要求的方案存在安全风险，不宜采用。

图5 DK36型落下孔车轴箱体改造示意图

3.2 研制新轴箱方案及试验验证

在适应转向架弹性悬挂系统的前提下，采用B+级钢，按THDS的内探要求进行结构优化，优化结构轴箱开孔如图6所示。

图6 优化结构轴箱开孔示意图

以DA21型凹底平车为例，对研制的新轴箱进行了有限元计算，应力云图见图7。最大应力发生在轴箱斜拉筋处，应力为92.8 MPa，小于B+级钢许用应力(151 MPa)，强度满足TB/T 1335—1996标准要求。为便于与现车轴箱对比分析，对现车轴箱进行了有限元计算，应力云图见图8。计算结果表明，研制的新轴箱应力水平与现车轴箱相当。

图7 研制的新轴箱应力云图

图8 现车轴箱应力云图

对新研制的轴箱进行了强度试验。试验结果表明：在各类载荷工况下，轴箱应力均小于其许用应力；经15万次载荷循环，轴箱无裂纹。轴箱强度符合TB/T 1335—1996标准要求。

4 装车验证

长大货物车轴箱适应红外轴温探测图样获得中国国家铁路集团有限公司机辆部批复后，2018年在新造的DA21型凹底平车、D22B型长大平车上进行了新轴箱的装车运用。2019年，结合厂修、段修对DK36A、DQ45、D22A等36辆既有长大货物车的轴箱进行了换装。经过跟踪调查，装用新轴箱的长大货物车在运行过程中能够利用THDS进行轴温监测(图9)。

图9 运行列车轴承温度探测截图

5 结束语

本文通过对既有铁路长大货物车装用轴箱的分析，针对可使用年限较长、技术较为先进但不适应THDS轴温探测的15种新型长大货物车轴箱，提出了现车轴箱改造和研制新轴箱2种方案，分析论证表明，研制新轴箱方案切实可行。有限元计算、强度试验和装车验证结果表明，研制的新轴箱可以满足THDS轴温探测要求，达到了长大货物车预警热轴，防止燃切轴事故发生的目的，确保了长大货物车的运输安全。