25T型客车密接式车钩缓冲装置的结构及工艺优化研究.doc

25T型客车密接式车钩缓冲装置的结构及工艺优化研究设计制造铁道车辆第48卷第7期2010年7月文章编号:10027602(2010)0700100525T型客车密接式车钩缓冲装置的结构及工艺优化研究王云(青岛四方车辆研究所有限公司,山东青岛266031)摘要:根据在运用和检修中积累的大量资料和数据,分析了25T型客车密接式车钩缓冲装置在运用中出现的故障及原因,对关键结构及工艺进行了优化,取得了较好的效果.关键词:密接式车钩缓冲装置;结构;优化中图分类号:U270.34文献标识码:B密接式车钩缓冲装置是25T型客车采用的一项新技术,与既有的15型客车车钩缓冲装置相比,其减轻列车运行时的纵向冲动,改善乘坐舒适性的作用十分明显.该型车钩缓冲装置自2004年4月18日开始装用于25T型客车,其后陆续装车投入运营共计4000余套,其中2006年装用于青藏线客车586套.到目前为止,最早装车的密接式车钩缓冲装置已运用了6年,超过了1个A4修程的运用考验.根据运用和检修中积累的大量数据,对该型车钩缓冲装置在使用中出现的问题进行了研究,在保持主体结构和基本性能参数不变的前提下,充分利用了密接式车钩缓冲装置模块化设计的优势,对局部结构进行了设计优化或工艺改进,使密接式车钩缓冲装置的结构更合理,功能更完善,检修工作量更少,满足了客车的运行要求.1密接式车钩缓冲装置主要结构密接式车钩缓冲装置由连挂系统,缓冲系统,安装吊挂系统3个大模块和各连接标准件组成(图1).连挂系统分为钩体和开闭机构2个小模块(图2);缓冲系统分为缓冲器(弹性胶泥芯子),壳体,碟簧筒,拉杆(fi-关节轴承)4个小模块(图3);安装吊挂系统分为安装座,钩尾销,支架,支撑弹簧盒,复原弹簧盒5个小模块(图4).连挂系统和缓冲系统模块间采用8个M30螺栓连接,缓冲系统和安装吊挂系统问通过钩尾销连接,整机通过4个M38螺栓安装到车体上.收稿日期:2OlO一04-09作者简介:王云(1963一),男,高级工程师.?j0?_一n同JT_凸厂商JI廿图1密接式车钩缓冲装置图2连挂系统图3缓冲系统2运用中出现的问题及原因分析2.1支架弯曲和钩尾销断裂在车辆未出厂时,发现20套车钩缓冲装置安装吊25T型客车密接式车钩缓冲装置的结构及工艺优化研究王云安装座钩尾销图4安装吊挂系统挂系统中的支架发生弯曲(车辆出厂时已更换),车辆进段后不久又发现5起支架弯曲问题(车辆整备时已更换).车辆在投入运用35个月间发生了7起钩尾销断裂问题,经失效分析,发现断口呈典型的低周疲劳特征,明显是因意外操作造成损伤,形成了疲劳源,从而引发了失效(图5).出现断裂的截面疲劳源扩展区疲劳图5钩尾销及其断口形貌原因分析:最初生产使用密接式车钩缓冲装置的客车,因新型结构的车钩与既有客车车钩不能直接连挂,再加上对用户的培训力度不够,造成在制造厂和车辆段的车辆调转过程中发生过多起密接式车钩与15型车钩的误冲击(连挂)现象,导致支架弯曲,钩尾销产生疲劳源,并在新车运用不久发生了钩尾销断裂现象.2.2支撑弹簧盒脱落或固定螺栓松动25T型客车运行1年左右时,发生了1起支撑弹簧盒脱落问题.随后对约1500套运用中的车钩进行了普查,发现数起支撑弹簧盒固定螺栓存在松动问题.原因分析:支撑弹簧盒完全靠2个M16螺栓固定在支架上(图6),虽然有防松垫片防松,但检查发现有少数垫片折起后与螺母贴靠不实,也存在个别螺母未拧紧的情况,这都会造成螺母松动,导致螺栓预紧力不足或消失,使螺栓受到的弯曲应力成倍增加,造成螺栓断裂损坏,导致弹簧盒脱落.支撑弹簧盒固定螺栓图6支撑弹簧盒2.3支撑弹簧盒挡块磨损运用一个A4修后,发现支撑弹簧盒挡块磨耗严重,少数挡块高度从原来的12mm磨耗至仅余7mm左右,需补焊或更换的比例约占5左右.原因分析:车钩垂向偏转时,车钩会反复以压缩一抬起的方式给支撑弹簧盒施加作用力,挡块会频繁受到支柱的冲击力,因挡块采用焊接性较好的塑性材料,长期且频繁承受冲击作用会导致挡块变形及磨损.支撑弹簧盒工作状态见图7.凰藏钩身抬起时钩身压缩时图7支撑弹簧盒工作状态2.4钩腔内部锈蚀严重,钩尾销与轴套间因腐蚀难以拆解密接式车钩缓冲装置运用一个A3修后,部分车钩的钩腔内部锈蚀,加上运行中侵入的灰尘,使连挂和解钩灵活性受到影响;钩尾销与支架轴套间因锈蚀形成粘连,拆卸时容易划伤钩尾销表面.原因分析:在高风沙地区运用时,如果钩腔内有润滑脂,则容易沾附沙尘,长期运用会形成沙尘垢,导致解钩困难.为预防此类问题的出现,设计中规定钩腔铁道车辆第48卷第7期2010年7月内使用干性润滑脂,但是对钩腔表面防护不足,长期运用后会在大气侵袭下生锈.钩尾销与支架轴套间配合较紧密,采用的材料差别小,长期运用后会因各种原因导致锈蚀而引发粘连.2.5缓冲器碟簧破碎密接式车钩缓冲装置的缓冲系统中采用了碟簧.运行1个A3修后,发现个别缓冲器的碟簧出现破碎.原因分析:为保证列车的乘坐舒适性,缓冲系统采用了2级缓冲刚度结构,碟簧的作用是保证小冲击时的乘坐舒适性,因动作十分频繁,个别存在原始缺陷或润滑不良的碟簧出现了破碎.3结构及工艺优化3.1钩尾销及支架3.1.1静力分析支架通过支撑弹簧盒支撑着整套密接式车钩缓冲装置的重量,如车辆连挂时出现障碍或误操作时,有可能会产生一个比正常工况高出很多的向下分力作用于支架;运行时,如连挂前车钩处于抬头状态,则支架也会受到高于正常作用的压力.支架承受压力后,给钩尾销台阶处施加弯矩,使台阶上过渡截面产生了弯曲应力.图8为钩尾销周围结构及受力模型.支架轴套支巢支掉弹簧盒图8钩尾销周围结构及受力模型用力由图8可见,钩尾销受支架的作用力后,明显为悬臂梁受力的模型,台阶上部变截面处受力最大.根据车钩结构,重量和尺寸可计算出静态下作用于支撑弹簧盒中心的垂向作用力为4kN.取安全系数为2,对支架和钩尾销强度进行了计算.为实施优化,对危险截面以44mm(原设计结构),50mm/R10mm,60mm/R5mm共3种截面形式作了计算,得出了如下结论:(1)44mm结构的钩尾销,44mm截面处最大应力达到了555.4MPa,已少量超过了40Cr材料的屈?12?服极限(540MPa),安全余量不足.(2)增加钩尾销危险截面面积和过渡圆角后,各方案的应力均有了大幅度下降.60mm/R5mm方案的应力下降幅度最大,最大应力从555.4MPa减少到198MPa;50mm/R10mm方案的应力大幅下降至248MPa,已到了安全强度范围内.(3)支架在8kN垂向力作用下最大拉应力为127MPa,发生在圆环中部上平面,远未到ZG23O一450材料的屈服极限(230MPa),有一定的强度余量.为探讨优化方案,还进行了增加支架环部厚度的计算方案.加强后,支架在8kN垂向力作用下最大拉应力为88MPa,仍发生在圆环中部上平面,其应力又有明显降低,可作为结构改进时的备选方案.3.1.2抗疲劳分析为掌握钩尾销的疲劳性能,在以上计算的基础上,还进行了疲劳试验.共进行了44mm,50mm/R10mm和60mm/R5mm共3种设计方案的台架疲劳试验.为检测出支撑机构在实际运行过程中的垂向动载荷,以便作为编制钩尾销疲劳试验载荷谱的依据,进行了3次现车运行动载荷数据采集试验,获得了钩体作用于弹簧盒上的典型试验曲线(图9),得到弹簧盒作用于支架上的最大垂向力为3.74kN.根据线路试验测试结果,制定的钩尾销及支架的疲劳试验载荷谱为:第1阶段:载荷从08kN循环,加载次数为100万次(载荷比实测力大1倍以上,结果偏于安全).第2阶段:载荷从0H20kN循环,加载至100万次或断裂时止.作为强化疲劳试验,模拟车钩缓冲装置正常连挂冲击及遭受意外大冲击工况.3?51.0O?5一:.5时间,B图9线路试验测得的钩体作用于弹簧盒上的典型曲线疲劳试验结果见表1,从试验结果可得出以下结论:(1)44mm钩尾销的2个样本均通过了8kN脉动循环的疲劳寿命试验,但强化阶段的疲劳试验达到5.7万次即发生断裂.25T型客车密接式车钩缓冲装置的结构及工艺优化研究王云(2)声5Omm/R10mm,60mm/R5mm的2个优化方案均通过了8kN脉动循环的疲劳寿命试验,且其疲劳寿命提高了1个数量级以上.声5Oram/R10mm结构的钩尾销在强化疲劳试验接近100万次时出现裂纹;声6Omm/R5mm结构的钩尾销在强化疲劳试验至120万次140万次仍完好.(3)50ram/R10mm优化方案出现断裂的位置,已经从台阶截面突变处转移到台阶的中部,说明改进设计后,变截面处应力集中问题已得到解决.(4)在2OkN强化载荷循环下,50ram/R10mm,60mm/R5mm优化方案支架的疲劳寿命分别为42.7万次50.1万次和l21万次.表1不同方案钩尾销的疲劳试验结果方案载荷谱钩尾销状态支架状态8kN,100万次(正常试验)完好完好44mm20kN,5.7万次(强化试验)断裂有较小弯曲8kN,100万次(正常试验)完好完好5Omm20kN,42.7万次(强化试验)完好第1件断裂/R10mm换装第2件支架,在20kN,42.7万次基础上继续试验至92.8万有小裂纹第2件断裂次(继续进行强化试验)6Omm8kN,100万次(正常试验)完好完好/R5mm20kN,121万次(强化试验)完好严重弯曲变形不难看出,原设计方案的钩尾销虽然能够通过正常工况下疲劳试验的考验,但为提高其在意外冲击等非正常工况下的安全系数,应对其结构进行改进以提高强度冗余.根据以上计算和试验结果,25T型客车已全部更换为50mm/R10mm结构的钩尾销;考虑到青藏客车运用工况更为复杂,采用了6Omm/R5mm结构的钩尾销.采用新结构的钩尾销运用至今状态良好,未再发生断裂现象.对于支架,因原先采用的设计理念是将其作为强度最薄弱的支撑结构,起到保险丝的作用.运用中在非正常工况下,支架首先变形弯曲,钩尾销不再受力,以达到保护钩尾销的目的,且支架采用塑性较好的材料,不易出现突发的脆性破坏,因此原设计结构可以满足使用要求.3.2支撑弹簧盒3.2.1支撑弹簧盒脱落支撑弹簧盒发生脱落使列车运行存在安全隐患,因此应采取有效的改进措施.支撑弹簧盒受力情况如图10所示.在支撑弹簧盒螺栓未松动的正常情况下,缓冲器在纵向运动时对弹簧盒施加的摩擦力引起的弯矩绝大部分被支架产生的反力F抵消,但螺栓松动后,则主要靠螺栓抵抗该弯矩.具体分析如下:以弹簧盒刚被压死时(根据弹簧盒结构,此时支撑弹簧盒高115mm)的最恶劣工况分析,根据弹簧设计参数,此时垂向弹力为3800N,考虑润滑脂失效时摩擦因数最大可达0.2,则摩擦力(水平方向)为760N,由此可得出对支架或螺栓作用的弯矩M一76011587400(N?mm).当螺栓未松动时,靠支架和弹簧盒间的摩擦力传递剪切力,弯矩M主要由支架(或垫圈)产生的反力F来克服,螺栓只受常规的预紧力(在安全范围内),因此不会发生损坏.当螺栓松动后,完全由螺栓抵抗弯矩,螺栓危险截面的弯曲应力一M/W=87400/(7c?16./32)=217(MPa)(w为螺栓危险截面的抗弯模量,16mm为螺栓直径).通过以上简单计算不难发现,螺栓一旦松动,将承受较高的弯曲应力,再加上螺栓同时承受剪切力,而剪切力直接作用于螺栓表面会造成剪切伤,形成疲劳源,导致螺栓出现疲劳断裂,造成支撑弹簧盒脱落.支撵弹簧盒支架螺栓未松动只受轴向力图10螺栓受力分析螺栓已松动,承受弯矩可见,确保螺栓不松动是保证设计或实现工艺要求的主要要素.