城轨车辆抗侧滚扭杆装置可靠性分析

城轨车辆抗侧滚扭杆装置可靠性分析20117169李艳丽前言空气弹簧在高速列车和城轨车辆上被广泛应用。二系悬挂采用大扰度的空气弹簧后，使车辆的垂向性能变好，同时也带来了一个较大的问题。就是导致了车辆的抗侧滚能力减小，车辆的柔性系数和侧滚角都会增大，使得车辆运行的平稳性和舒适性大大降低，甚至还会带来安全隐患川。为了解决这个问题，现在城轨车辆和高速列车大都采用抗侧滚扭杆装置来提高车辆的侧滚刚度。抗侧滚扭杆装置不影响车辆的其他振动形式，只抑制车辆的侧滚振动。抗侧滚扭杆是一种利用金属弹性杆在受扭矩作用时产生扭转变形而提供扭转反力矩起作用的弹簧。扭杆装置的可靠性对车辆的运行品质和安全性具有重要影响，所以在进行新的抗侧滚扭杆装置设计时对其进行可靠性分析是至关重要的。抗侧滚扭杆装置的工作原理基本结构如图1所示，抗侧滚扭杆装置主要由连杆，扭转臂和扭杆轴等组成。扭杆通过固定在转向架构架上的支撑座与构架相连，连杆与固定在车体上的连接座相连。工作原理当车体发生侧滚时，车体会带动两连杆运动，水平放置的两个扭转臂对扭杆轴分别有一个相互反向的力与力矩的作用，导致扭杆轴产生扭转弹性塑性变形。扭杆轴的变形会产生一反力矩，此反力矩总是与车体侧滚角角位移的方向相反，对车体的侧滚起到约束作用。当车体发生垂向振动时，连结连杆同时上下运动，扭杆轴绕着两个支承座转动，扭杆轴不受力，也不产生扭矩，所以不会影响车体的垂向振动。当车体横摆时，两个连杆的端部都安装有关节轴承(比如球轴承、橡胶关节等)，允许连杆横向移动，因此抗侧滚扭杆装置也不影响车体的横摆振动。同样的道理，该装置还对车体的点头、摇头及纵向振动也不产生作用。抗侧滚扭杆装置的可靠性模型抗侧滚扭杆装置主要由连杆、扭转臂、扭杆轴、连杆与车体的连接关节、支撑座、扭杆与扭转臂的连接装置等组成。由于该装置中的任意一个部件的故障都会导致整个装置故障，所以可以认为该装置的可靠性模型是一个串联模型团。假设串联模型的各个单元是相互独立且寿命服从指数分布，那么其数学模型为:系统可靠性分析抗侧滚扭杆装置每个部件的受力不一样，一般来说，连杆只受拉压力，扭转臂只受弯矩，而扭杆只受扭矩。在设计新的抗侧滚扭杆装置时，如果此抗侧滚扭杆装置与普通城轨车辆的抗侧滚扭杆装置相似，就可以采用相似产品法对新的抗侧滚扭杆装置的可靠性进行预计。己知某普通城轨车辆的抗侧滚扭杆装置使用10年后的可靠性指标RS}=0.75，各分系统的可靠度为:为了适应新的环境，新的扭杆装置做了如下处理:(1)扭杆的长度增加loomm;(2)扭杆的横截面积增加。.5。。分析:新的扭杆装置与原来的扭杆装置十分相似，区别仅仅在于扭杆。根据经验，上述两个变化都会对新扭杆装置的可靠性带来大的影响。会使得新扭杆装置的可靠度下降。为了分析新扭杆装置的可靠性，可以粗略地认为扭杆的可靠性与其强度成线性关系。经计算，以前扭杆的强度为9.806X106Pa，现在扭杆强度为9.412X106Pa，则新扭杆的可靠度为:R=0.997X(0.412X106Pa/9.806X106Pa)=0.957故通过预计得到它们的可靠度分别为:连杆。.976，扭臂0.984，扭杆。.957，支撑座。.968，连杆关节。.979,花键装置。，953。则根据式(1)可计算出系统可靠度RS0.72而规定的系统的可靠度RS=0.了5，为此，需要对系统各单元的可靠度进行再分配。可靠度再分配的基本思想是:认为可靠性越低的分系统改进起来越容易，反之则越困难。把原来可靠度较低的分系统的可靠度提高到某个值，而对于原来可靠度较高的分系统的可靠度仍保持不变。具体方法如下:5.改进措施各种轨道车辆形式多样，转向架也形式多样，它们对抗侧滚扭杆装置也有不同的要求和限制条件。但是不论何种形式的车辆转向架的抗侧滚扭杆装置，主要的受力部件都是扭杆，在实际中它不仅受扭矩也受弯矩，由于受力复杂，故一般来说它的可靠度相对其它部件较低。由上面的该系统可靠度分析发现，为适应新的环境需要将扭杆和扭臂的可靠度提高以满足设计要求，为此可从以下几个方面考虑[[4,56〕。(i)采用刚度和强度较大的材料来制作扭杆，一般采用优质合金钢和热轧弹簧钢，如42CrMo,38CrMoAlA和45CrNiMoVA等;(2)采用适当的增加强度的加过工艺，如回火，淬火，高频淬火和喷丸处理等加工工艺增加其强度;(3)在保留原材料的情况下增大扭杆的截面积;(4)可在同一个转向架上安装多组该抗侧滚扭杆装置，比如CRH5就采用同一转向架上设置2组抗侧滚扭杆装置。为增大车辆的抗侧滚刚度，采用抗侧滚扭杆装置，要增大该装置的工作可靠度，根据新的设计要求和工作环境，一般来说宜采用(1).(2)方法，这样可以使装置简单质轻的情况下保证其强度，而采用(3)方法就会使得装置的整体质量增加，同样采用方法(3)使得装置的整体质量和复杂度升高，不符合新的设计要求。