軌道邊坡清篩機枕梁國產化設計

孟慶玲， 孫保林

（北京二七軌道交通裝備有限責任公司，北京100072）

1 引 言

軌道邊坡清篩機是從國外引進的一種新型大功率軌道養護設備，用于分離軌道兩側邊坡道碴中的污土和碎石，然后將可用道碴再回填至邊坡，由此可提高軌道兩側邊坡的瀝水性。邊坡清篩機由裝載車和篩分車兩節車組成，主要包括道碴挖掘裝置、輸送裝置、分離裝置、回填裝置。該設備是以國外技術轉讓方式引進的項目，但必須根據目前的實際設計生產能力確定國產化的部位和份額，這樣才能以較小的風險、較低的成本實現先進技術的引進。在國產化的份額中，其中最重要的系統是轉向架，為適應國產轉向架的要求須對車架枕梁等相關結構進行相應的設計更改，下面以篩分車枕梁為例說明新設計的原則和具體的實現方法。

2 保證挖掘斗輪等工作裝置的原始作業深度不變

由于車架其余安裝工作裝置的部位的結構不變，可通過保證車架上面至軌面之間的距離不變來保證工作裝置的原始作業深度。但由于車架圖紙中信息的限制、甚至通過不同的途徑計算出的尺寸是相互矛盾的，因而無法找到車架上面至軌面距離的準確值，所以最終的解決方案是：首先確定國產轉向架上心盤安裝面至軌面的高度與原始設計的差異，然后通過調整枕梁高度來彌補心盤安裝面高度的變化值，從而保證車架上面至軌面的距離保持不變，示意圖見圖1。

圖1 枕梁高度變化值的圖示

根據圖示可計算枕梁須降低的高度：

圖1 中，H11-原始轉向架下心盤工作高；H12-原始上心盤高度；H13-原始枕梁高度；H21-國產轉向架下心盤工作高；H22-國產轉向架尼龍套與上心盤高度和；H23-國產轉枕梁高度；ΔH-枕梁需要降低的高度。

由于篩分車結構的限制，即使將枕梁底板位于枕梁下方的部分截掉分成兩段后直接與縱梁底板對接（見圖2），雖然只能將枕梁高度降低48mm，此時車架上面依然比原設計高5mm，但不會影響該部位作業裝置的作業效果，所以可以接受。

圖2 篩分車枕梁結構

由于枕梁結構更改后只能用螺栓將上心盤直接固定在車架縱梁的底板上，由于安裝心盤部位的底板位于密閉箱型梁內，所以須在縱梁底板安裝心盤的部位兩側加工出直徑大約150mm 的工藝孔以將胳膊伸放進螺母，同時為提高螺栓緊固的工藝性，須在縱梁底板內側增加帶兩個內六方孔的活動連接板，套住兩個螺母以限制擰緊螺栓時螺母的轉動，具體結構見圖3。

圖3 篩分車心盤安裝

3 滿足轉向架的接口尺寸及相對運動空間要求

轉向架是為鐵路車輛提供動力或輔助車輛行駛的支撐裝置，車架和轉向架之間通過上、下心盤限制相互間的位置關系，允許二者之間有小范圍的垂向相對運動和相對轉動。為改善車輛運行過程中所受到的垂向沖擊載荷及通過彎道的性能，轉向架下心盤安裝構件搖枕與車輪之間設計有一系懸掛彈簧減震裝置、搖枕與車架之間設計有彈性支撐－旁承。枕梁應該滿足與國產轉向架的接口正確、且相對運動無干涉。

3.1 靜態接口尺寸的確定

枕梁與轉向架之間通過旁承和上下心盤接觸定位，原始枕梁的旁承面是枕梁底板上直接折彎成型的臺階面，但由于國產轉向架旁承間距從1270mm 增加1520mm、以及旁承結構的變化和枕梁高度的降低，原始結構會與轉向架的側架產生干涉，解決辦法是增大枕梁底面的折彎斜度、取消旁承面-代之以焊接在枕梁斜底面上的旁承座（見圖2），旁承磨耗板用沉頭方頸螺栓安裝在旁承座底板上。根據圖4 所示的國產轉向架的上心盤上面高度與旁承工作高之間關系得出：

其中，h-旁承工作高（落車后旁承的高度）；Δh-上心盤上面與旁承上面的高度差。

即旁承磨耗板的底面須高出上心盤安裝面9mm。

圖4 國產轉向架心盤與旁承間高度關系示意

3.2 動態接口尺寸的確定

3.2.1 車架與轉向架相對轉動的極限角度

圖5 車輛通過最小曲線半徑彎道時的簡化模型

當車輛通過最小曲線半徑的彎道時，車架和轉向架之間的相對轉角最大，相互間位置關系見圖5。

其中，L-前后轉向架心盤之間的中心距，L=16764mm；R-邊坡清篩機運行通過的最小曲線半徑，R=180000mm；α-車架和轉向架之間的最大相對轉角。

3.2.2 旁承磨耗板結構尺寸的校核

圖6 旁承磨耗板在相對運動過程中極限位置圖

預先設定旁承磨耗板的大小為520mm×170mm，為提高設計的可靠性，用車架和轉向架之間相對轉角為5°（計算值是2.67°）來校核兩者的極限位置狀態，見圖6。由圖可見車架從與轉向架平行的位置轉動到極限位置的過程中磨耗板與整個旁承面始終處于接觸狀態；并且在極限位置處與側架之間的間隙為23mm，小于過彎道時搖枕與側架之間所允許的最大橫動量19mm（為轉向架設計尺寸），所以極限位置處旁承磨耗板（旁承座的外形尺寸比磨耗板的?。┡c轉向架之間有4mm 間隙，車架與轉向架不會干涉。但由于間隙只有4mm，為避免由于制造誤差導致的運動干涉，所以將磨耗板的四個角加工成R50 的圓弧，徹底消除了運動干涉的可能性。

3.2.3 車架枕梁與轉向架之間垂向間隙

當車輛通過彎道過程中產生的向心力會使車架產生偏轉，彎道內側旁承和一系懸掛彈簧都將會產生一定的壓縮變形來適應載荷的變化，致使彎道內側車架距軌面的距離減小，而轉向架的側架與車輪之間可認為是剛性連接，即側架上面至軌面的距離基本不變，因此側架與位于其上方的車架之間要有足夠的垂向間隙，以保證車架通過彎道時不會與轉向架的側架發生干涉。對于該車，位于轉向架側架上方的車架的最低部位是枕梁，所以要保證車架枕梁下面與轉向架側架上面有足夠的垂向間隙。垂向相對運動極限發生在一系懸掛彈簧和旁承全部壓縮到極限位置的情況下，此極限位為枕梁設計時考慮的極限條件，正常運行情況下不會達到，但可提高設計的可靠性。

為便于說明枕梁下面與側架上面之間的垂向設計間隙L，定義如下參數：L1-旁承從工作高到完全壓靠位的變形量；L2-彈簧從工作高到完全壓靠位的變形量；L3-旁承工作高（落車后的高度）；L4-旁承完全壓靠時的高度；L5-一系懸掛彈簧工作高（落車后的高度）；L6-一系懸掛彈簧完全壓靠時的高度。

則有：L1=L3-L4；L2=L5-L6。

如果垂向間隙L>L1+L2，則一定不會產生垂向運動干涉，考慮到一定的設計容余，取L≈L1+L2+35mm。根據手中掌握的數據計算結果如下：

對于篩分車L=15+62+35=112mm。

至此，枕梁的關鍵結構尺寸已全部確定，其余與轉向架不相關的結構和尺寸參照原始設計，局部細節結構進行了相應的更改，篩分車枕梁見圖2。

4 保證枕梁的力學性能

梁的高度降低必然會影響到其截面的抗彎性能，為了盡可能小地削弱其抗彎能力，相應地增加了枕梁立板的厚度。采用的方法是：保證立板自身的形心主慣性矩不變，然后校核關鍵截面上的最大剪應力和正應力。

4.1 立板厚度的確定

其中：b1、h1是原始設計中關鍵截面立板的厚度和高度；b2、h2是改進設計中關鍵截面立板的厚度和高度。

這里的關鍵截面是指關鍵受力面，分為工作時受力最大的面和起吊時受力最大的面，根據兩個關鍵截面計算結果中較大的b2選擇材料的板厚。b1、h1為已知量，h2可以根據前面確定的枕梁高度計算出來，所以能計算出b2。

關鍵工作截面：

關鍵起吊截面：

根據上面計算結果及可選材料規格取篩分車枕梁立板厚度為25mm，材料與原始材料強度相當。

4.2 枕梁強度校核

由于該設計屬技術引進項目國產化的份額，國產化設計時無法得到車架準確的工況和受力情況，所以只能依靠技術轉讓方來做修改后的枕梁的強度校核。轉讓方對修改后的枕梁模型分析后沒有提出異議。

本文僅以篩分車枕梁為例對起吊關鍵截面-枕梁與端部吊耳之間的連接面（截面圖見圖7）的受力情況與原始設計進行簡單的比較。起吊過程中關鍵截面主要受剪力和彎矩作用，下面分別討論截面上的剪應力和正應力。

圖7 篩分車枕梁起吊關鍵截面

（1）比較剪應力與原始設計值之間的大小關系原始剪切面積

A0=457×19+584×25+12.5×164×2=27383mm2

新設計剪切面積

A=453×20+584×25+25×135×2=30410mm2

顯然A>A0，由τ0=Q/A0和τ=Q/A 可知τ<τ0，所以截面的剪切強度滿足原始設計要求。

（2）比較彎曲正應力與原始設計值的大小關系

工作時彎矩的作用使截面有繞Y 軸轉動的趨勢。

截面的形心垂向坐標ZC和截面對過形心平行于Y軸的軸的形心主慣性矩如下：

原始設計：

國產化設計：

起吊過程中：梁的上面受拉應力，用σt表示；下面受壓應力，用σc表示。新設計中截面上的最大壓應力、拉應力與原始設計值的比值如下：

由于枕梁起吊截面的安全系數設計很高，所以認為壓應力和拉應力分別是原始設計的1.11 倍和1.19倍的設計結果是可以接受的，也得到了技術轉讓方的認可。如果要與原始設計強度相當，可以重新修正立板的厚度，或在受力大的部位增加矩形鋼管或槽鋼來進行加強。

5 結 論

本文根據邊坡清篩機轉向架國產化的要求對車架枕梁進行了國產化設計，但由于技術轉讓方對一些細節和實質的設計信息并不轉讓，設計所需的原始數據無法得到，所以在原始設計資料并不齊全的情況下只能選擇一些間接的方法來實現，如枕梁高度的確定和強度的設計方法和強度比較分析法，雖然辦法比較原始，但確實是一種解決此類問題的很有效的方法。

［1］ 畢勤勝，李繼剛.工程力學［M］.北京：北京大學出版社，2007.

［2］ SBC27-31 用戶手冊［Z］. 美國：Loram Maintenance of Way.，Inc.，2011.