鋁合金材料在軌道車輛軸箱體上的運(yùn)用

鋁合金材料在軌道車輛軸箱體上的運(yùn)用摘要：本文闡述了有軌車輛內(nèi)置軸箱體的選材，結(jié)構(gòu)以及仿真分析結(jié)果等。分析了軸箱體在鋁合金的使用下與原先材料的比較具有一定的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)鋁合金材料進(jìn)行簡(jiǎn)析。簡(jiǎn)述了軸箱體的結(jié)構(gòu)，用三種模型去討論在列車上的使用，并通過EN13749—2011對(duì)其進(jìn)行仿真分析，并探討了疲勞強(qiáng)度對(duì)于軸箱體的影響。關(guān)鍵詞：鋁合金材料軌道車輛軸箱體運(yùn)用軸箱體在轉(zhuǎn)向架中是一個(gè)關(guān)鍵的簧下零部件，用來將全部簧上載荷（包括鉛垂方向的動(dòng)載荷）傳給車軸，并將來自輪對(duì)的牽引力、制動(dòng)力和沖擊作用傳到構(gòu)架上去，運(yùn)用合理的構(gòu)架以及相應(yīng)的材料可以有效的降低簧下質(zhì)量。并且鋁合金有著硬度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，在同等構(gòu)造的情況下，使用鑄鋼或者鐵球軸箱的質(zhì)量要比使用鋁合金構(gòu)造的軸箱的質(zhì)量多余62%，可以有效減輕軸箱體的重量，進(jìn)而提升軌道車輛的動(dòng)力性能。在有軌車輛中，車體的質(zhì)量?jī)H占20%左右，大部分質(zhì)量集中在轉(zhuǎn)向架上，所以采取質(zhì)量輕，硬度大的鋁合金以及成為有軌列車輕量化的一種趨勢(shì)。傳統(tǒng)的地鐵車輛軸箱體一般采用鑄鋼，鑄鋼的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高，機(jī)械性能好；缺點(diǎn)是質(zhì)量大，車輛的簧下質(zhì)量高。當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，輪軌的相互作用力大，對(duì)車輪和軌道的破壞性較大。新的方式是采用鋁合金軸箱體：采用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼介質(zhì)的材料，不僅有利于軸箱軸承的散熱，而且因?yàn)槠渚哂懈邚椥宰冃?，改善了軸承的受力狀況，延長(zhǎng)了軸承的壽命。采用鋁合金材料減輕了地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量，較好的改善了輪軌相互作用力，從而改善了車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。一、軌道車輛軸箱體軸箱體這個(gè)零部件的作用是把車體重量還有載荷共同傳遞給輪對(duì)、潤(rùn)滑軸頸從而減少摩擦，降低運(yùn)行阻力。在有軌車輛運(yùn)行過程中，垂向力、縱向力和橫向力在傳遞的過程中都要經(jīng)過軸箱體［1］。在早期時(shí)候，機(jī)車車輛采用的是滑動(dòng)軸承軸箱裝置，到了20世紀(jì)初開始采取滾動(dòng)軸承軸箱裝置，并得到廣泛采用。箱體一般是指?jìng)鲃?dòng)零件的基座，它需要擁有足夠的強(qiáng)度和剛度。箱體通常用灰鑄鐵制造，灰鑄鐵具有很好的鑄造性能和減振性能。對(duì)于重載或有沖擊載荷的減速器也可以采用鑄鋼箱體。單件生產(chǎn)的減速器，為了簡(jiǎn)化工藝、降低成本，可采用鋼板焊接的箱體。為了便于軸系部件的安裝和拆卸，箱體制成沿軸心線水平剖分式。上箱蓋和下箱體用螺栓聯(lián)接成一體。軸承座的聯(lián)接螺栓應(yīng)盡量靠近軸承座孔，而軸承座旁的凸臺(tái)，應(yīng)具有足夠的承托面，以便放置聯(lián)接螺栓，并保證旋緊螺栓時(shí)需要的扳手空間。為保證箱體具有足夠的剛度，在軸承孔附近加支撐筋。為保證減速器安置在基礎(chǔ)上的穩(wěn)定性并盡可能減少箱體底座平面的機(jī)械加工面積，箱體底一般不采用完整的平面。與滑動(dòng)軸承軸箱裝置相比，滾動(dòng)軸承軸箱裝置可使機(jī)車車輛運(yùn)行阻力降低10%左右，可使起動(dòng)阻力降低80%以上,不僅可以節(jié)約動(dòng)力消耗,提高車輛的運(yùn)行速度，還可提高列車整體的牽引重量。這種裝置中的各零部件游動(dòng)間隙較小，能有效改進(jìn)機(jī)車車輛的運(yùn)行質(zhì)量。軸箱體在列車運(yùn)行中發(fā)生故障的概率較小，可以極大減少對(duì)車輛維修工作的人力和物資的使用和消耗，而雖然滾動(dòng)軸承軸箱裝置的制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滑動(dòng)軸承軸箱裝置的制作成本，但其仍然得到廣泛的采用。。所用滾動(dòng)軸承有圓柱、圓錐和球面三種樣式，其中球面滾動(dòng)軸承承受軸向載荷較好，但要求的尺寸較大，不利于減輕簧下重量，并且制造成本較高，不方便進(jìn)行檢查與維修，因而近年來采用較少。中國(guó)鐵路現(xiàn)在在客車上采用圓柱式滾動(dòng)軸承軸箱裝置,在柴油機(jī)車和電力機(jī)車上主要也采用這種軸箱裝置。在客車上，軸向力靠軸承內(nèi)外圈上的擋邊承受，而在機(jī)車上軸承一般不帶擋邊，軸向力靠裝在軸端的滾珠軸承承受。在貨車上除有一部分采用圓柱式滾動(dòng)軸承軸箱裝置外，新造貨車主要采用密封式圓錐滾動(dòng)軸承軸箱裝置。圓錐滾動(dòng)軸承兩端帶有密封裝置，外圈上面為承載鞍,裝在轉(zhuǎn)向架側(cè)架導(dǎo)框內(nèi),起載荷傳遞作用，軸承外面不再有軸箱體。因而這種結(jié)構(gòu)稱為“無軸箱軸承裝置”。滾動(dòng)軸承都采用潤(rùn)滑脂，不需要經(jīng)常開蓋加油或檢查。如下圖所示二、鋁合金材料的選用鋁合金按其成分和加工方法一般分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，而由于軸箱體的特殊性，需要用到鑄造鋁合金，它是用來直接澆鑄各種形狀的鋁合金。早期采用的是鑄鐵制造，但由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，合金的出現(xiàn)讓軸箱體的使用材料有了一個(gè)新的選擇。原先使用的鐵，在復(fù)雜的環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生鐵銹，而鋁合金則可以在表面自然產(chǎn)生一層致密牢固的ALO保護(hù)膜能很好的保護(hù)基體不受腐蝕。通過人23工陽(yáng)極氧化和著色，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。以載人地鐵為例，使用材料為鋁合金G-Al-Si7Mg-wa、AlSi7Mg0.3、GB/T1173中的ZL101A或EN1706中的ENAC-42100Q，其中ZL101A的抗拉強(qiáng)度大于等于275,ENAC-42100的抗拉強(qiáng)度大于等于260。G-Al-Si7Mg-wa和AlSi7Mg0.3這兩者的抗拉強(qiáng)度也大于等于265,并且隨著MgSi含量的增2加，抗拉強(qiáng)度也在增加。抗拉這幾種材料在化學(xué)成分和機(jī)械性能上比較接近，并且減重效果明顯。三、軸箱體的載荷工況以及疲勞強(qiáng)度軸箱體安裝在車輛時(shí)，會(huì)受到垂直方向、橫向以及縱向三個(gè)方向的載荷，我們一般按照超常和一般運(yùn)營(yíng)這兩種工況進(jìn)行分析，這里只說明一般運(yùn)營(yíng)下的常規(guī)載荷。通常在設(shè)計(jì)的過程中已經(jīng)被充分考慮。而UIC615-4-2003⑶、EN13749-2011［4］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于一般的構(gòu)架的常規(guī)載荷已經(jīng)有了明確的規(guī)定。并根據(jù)EN13749-2011,對(duì)其進(jìn)行仿真分析，如下圖巧］。工況序號(hào)載荷FLC1FzFLC2Fz（1土a土B）FLC3Fz（1土a土B）土Fy土TzFLC4Fz土Fx_LozengingFLC5Fz（1土a土B）土Fx_LozengingFLC6Fz（1土a土B）土Fy土Tz土Fx_LozengingFLC7Fz土Fx_TR+FLink_motFLC8Fz（1土a土B）土Fx_TR+FLink_motFLC9Fz（1土a土B）土Fy土Tz土Fx_TR+FLink_motFLC10Fz土FBFLC11Fz（1土a土B）土FBFLC12Fz（1土a土B）土Fy土Tz土Fz_BFLC13Fz土FVDFLC14Fz土Fx_M土Fy_M土Fz_M注：Fz 垂向載荷；a 側(cè)滾系數(shù)；B 浮沉系數(shù)；Fy 橫向載荷；Tz 扭曲載荷；Fx_Lozenging 菱形載荷；Fx_TR 電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的縱向載荷；FLink_mot 齒輪箱吊桿載荷；FB———制動(dòng)載荷；FVD 減震器載荷；Fx_M、Fy_M、Fz_M 設(shè)備各方向上的慣性載荷同時(shí)在列車或電車行駛過程中會(huì)產(chǎn)生高頻震動(dòng)，往往會(huì)對(duì)軸箱體等零部件的疲勞損傷構(gòu)成巨大威脅，隨著我國(guó)線路的運(yùn)營(yíng)里程不斷增長(zhǎng)，對(duì)于軸箱體的磨損有著較大的威脅。但伴隨著載荷的存在，以及車輪多邊形磨耗導(dǎo)致的高頻激擾下有可能會(huì)產(chǎn)生有發(fā)生高頻共振的風(fēng)險(xiǎn)，在短時(shí)間內(nèi)造成巨大的疲勞損傷，這就要求軸箱體能在載荷以及高頻振動(dòng)二者共存的情況下，保持穩(wěn)定，讓列車平穩(wěn)運(yùn)行。四、制造工藝選定材料后進(jìn)行對(duì)箱體制造的樣品進(jìn)行試做，由于軸箱體的特性，此制品可以運(yùn)用澆注工藝去進(jìn)行制造，澆注工藝制成的箱體零件具有強(qiáng)度高、壁薄、尺寸精度高、內(nèi)外表面精度高等性質(zhì)。初步完成后，采取合適的方法去進(jìn)行加工，基本的工藝路線包括:劃線f粗銃f粗鏜f精鏜等工序，加工后進(jìn)行清洗和防腐。五、結(jié)束語(yǔ)依據(jù)EN13749—2011可以得知鋁合金軸箱體的可行性，同時(shí)鋁合金軸箱體能夠擁有更好的技術(shù)效果，但是軸箱作為軌道車輛主要承載部件使用鋁合金材料仍需對(duì)其進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)[6。]并且記錄數(shù)據(jù)，并且在材料上和制造技術(shù)上需要不斷的嘗試，使某種鋁合金能真正廣泛的運(yùn)用到有軌車輛上。參考文獻(xiàn)商躍進(jìn)．動(dòng)車組車輛構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M]．成都:西南交通大學(xué)出版社2010．薛文根.鋁合金材料在軌道車輛軸箱體上的應(yīng)用[J].機(jī)車車輛工藝,2020(01):10-11.UIC.移動(dòng)動(dòng)力裝置一轉(zhuǎn)向架和走行裝置一轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)：UIC615-4—2003[S].巴黎：UIC,2003.CEN.鐵路設(shè)施.輪輻和行走機(jī)構(gòu).轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定方法：EN