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1、城軌車輛抗側滾扭桿裝置可靠性分析,20117169 李艷麗,前言,,空氣彈簧在高速列車和城軌車輛上被廣泛應用。二系懸掛采用大擾度的空氣彈簧后，使車輛的垂向性能變好，同時也帶來了一個較大的問題。就是導致了車輛的抗側滾能力減小，車輛的柔性系數(shù)和側滾角都會增大，使得車輛運行的平穩(wěn)性和舒適性大大降低，甚至還會帶來安全隱患川。為了解決這個問題，現(xiàn)在城軌車輛和高速列車大都采用抗側滾扭桿裝置來提高車輛的側滾剛度?？箓葷L扭桿裝置不影響車輛的其他振動形式，只抑制車輛的側滾振動。抗側滾扭桿是一種利用金屬彈性桿在受扭矩作用時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形而提供扭轉(zhuǎn)反力矩起作用的彈簧。扭桿裝置的可靠性對車輛的運行品質(zhì)和安全性具有重要影

2、響，所以在進行新的抗側滾扭桿裝置設計時對其進行可靠性分析是至關重要的。,抗側滾扭桿裝置的工作原理,,基本結構 如圖1所示，抗側滾扭桿裝置主要由 連桿，扭轉(zhuǎn)臂和扭桿軸等組成。扭桿通 過固定在轉(zhuǎn)向架構架上的支撐座與構架相 連，連桿與固定在車體上的連接座相連。,,,工作原理 當車體發(fā)生側滾時，車體會帶動兩連桿運動，水平放置的兩個扭轉(zhuǎn)臂對扭桿軸分別有一個相互反向的力與力矩的作用，導致扭桿軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彈性塑性變形。扭桿軸的變形會產(chǎn)生一反力矩，此反力矩總是與車體側滾角角位移的方向相反，對車體的側滾起到約束作用。當車體發(fā)生垂向振動時，連結連桿同時上下運動，扭桿軸繞著兩個支承座轉(zhuǎn)動，扭桿軸不受力，也不產(chǎn)生扭矩

3、，所以不會影響車體的垂向振動。當車體橫擺時，兩個連桿的端部都安裝有關節(jié)軸承(比如球軸承、橡膠關節(jié)等)，允許連桿橫向移動，因此抗側滾扭桿裝置也不影響車體的橫擺振動。同樣的道理，該裝置還對車體的點頭、搖頭及縱向振動也不產(chǎn)生作用。,抗側滾扭桿裝置的可靠性模型,,抗側滾扭桿裝置主要由連桿、扭轉(zhuǎn) 臂、扭桿軸、連桿與車體的連接關節(jié)、支 撐座、扭桿與扭轉(zhuǎn)臂的連接裝置等組成。由于該裝置中的任意一個部件的故障都會 導致整個裝置故障，所以可以認為該裝置 的可靠性模型是一個串聯(lián)模型團。 假設串聯(lián)模型的各個單元是相互獨立 且壽命服從指數(shù)分布，那么其數(shù)學模型為:,系統(tǒng)可靠性分析,,抗側滾扭桿裝置每個部件的受力不一樣，

4、一般來說，連桿只受拉壓力，扭轉(zhuǎn)臂只受彎矩，而扭桿只受扭矩。在設計新的抗側滾扭桿裝置時，如果此抗側滾扭桿裝置與普通城軌車輛的抗側滾扭桿裝置相似，就可以采用相似產(chǎn)品法對新的抗側滾扭桿裝置的可靠性進行預計。己知某普通城軌車輛的抗側滾扭桿裝置使用10年后的可靠性指標RS=0. 75，各分系統(tǒng)的可靠度為:,,,為了適應新的環(huán)境，新的扭桿裝置做了如下處理: (1)扭桿的長度增加loomm; (2)扭桿的橫截面積增加。.5。。 分析:新的扭桿裝置與原來的扭桿裝置十分相似，區(qū)別僅僅在于扭桿。根據(jù)經(jīng)驗，上述兩個變化都會對新扭桿裝置的可靠性帶來大的影響。會使得新扭桿裝置的可靠度下降。為了分析新扭桿裝置的可靠性，

5、可以粗略地認為扭桿的可靠性與其強度成線性關系。經(jīng)計算，以前扭桿的強度為9. 806 X 106Pa，現(xiàn)在扭桿強度為9. 412 X 106Pa，則新扭桿的可靠度為: R=0. 997 X (0. 412 X 106Pa/9. 806 X 106 Pa)=0. 957 故通過預計得到它們的可靠度分別為:連桿。. 976，扭臂0. 984，扭桿。.957，支撐座。.968，連桿關節(jié)。.979,花鍵裝置。，953。則根據(jù)式(1)可計算出 系統(tǒng)可靠度RS 0. 72而規(guī)定的系統(tǒng)的可靠度RS=0.了5，為此，需要對系統(tǒng)各單元的可靠度進行再分配。,,,可靠度再分配的基本思想是:認為可靠性越低的分系統(tǒng)改進

6、起來越容易，反之則越困難。把原來可靠度較低的分系統(tǒng)的可靠度提高到某個值，而對于原來可靠度較高的分系統(tǒng)的可靠度仍保持不變。具體方法如下:,,,5.改進措施 各種軌道車輛形式多樣，轉(zhuǎn)向架也形式多樣，它們對抗側滾扭桿裝置也有不同的要求和限制條件。但是不論何種形式的車輛轉(zhuǎn)向架的抗側滾扭桿裝置，主要的受力部件都是扭桿，在實際中它不僅受扭矩也受彎矩，由于受力復雜，故一般來說它的可靠度相對其它部件較低。由上面的該系統(tǒng)可靠度分析發(fā)現(xiàn)，為適應新的環(huán)境需要將扭桿和扭臂的可靠度提高以滿足設計要求，為此可從以下幾個方面考慮4, 56。 (i)采用剛度和強度較大的材料來制作扭桿，一般采用優(yōu)質(zhì)合金鋼和熱軋彈簧 鋼，如

7、42CrMo,38CrMoAlA和45CrNiMoVA等; (2)采用適當?shù)脑黾訌姸鹊募舆^工藝，如回火，淬火，高頻淬火和噴丸處理等加工工藝增加其強度; (3)在保留原材料的情況下增大扭桿的截面積; (4)可在同一個轉(zhuǎn)向架上安裝多組該抗側滾扭桿裝置，比如CRH5就采用同一轉(zhuǎn)向架上設置2組抗側滾扭桿裝置。 為增大車輛的抗側滾剛度，采用抗側滾扭桿裝置，要增大該裝置的工作可靠度，根據(jù)新的設計要求和工作環(huán)境，一般來說宜采用(1) . (2)方法，這樣可以使裝置簡單質(zhì)輕的情況下保證其強度，而采用(3)方法就會使得裝置的整體質(zhì)量增加，同樣采用方法(3)使得裝置的整體質(zhì)量和復雜度升高，不符合新的設計要求。,