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1、城軌車輛抗側(cè)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(yīng)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(dǎo)致了車輛的抗側(cè)滾能力減小，車輛的柔性系數(shù)和側(cè)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(cè)滾扭桿裝置來提高車輛的側(cè)滾剛度。抗側(cè)滾扭桿裝置不影響車輛的其他振動形式，只抑制車輛的側(cè)滾振動?？箓?cè)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響
2、，所以在進(jìn)行新的抗側(cè)滾扭桿裝置設(shè)計時對其進(jìn)行可靠性分析是至關(guān)重要的。,抗側(cè)滾扭桿裝置的工作原理,基本結(jié)構(gòu) 如圖1所示，抗側(cè)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(gòu)架上的支撐座與構(gòu)架相 連，連桿與固定在車體上的連接座相連。,工作原理 當(dāng)車體發(fā)生側(cè)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(dǎo)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(cè)滾角角位移的方向相反，對車體的側(cè)滾起到約束作用。當(dāng)車體發(fā)生垂向振動時，連結(jié)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，所以不會
3、影響車體的垂向振動。當(dāng)車體橫擺時，兩個連桿的端部都安裝有關(guān)節(jié)軸承(比如球軸承、橡膠關(guān)節(jié)等)，允許連桿橫向移動，因此抗側(cè)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(cè)滾扭桿裝置的可靠性模型,抗側(cè)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(guān)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(dǎo)致整個裝置故障，所以可以認(rèn)為該裝置 的可靠性模型是一個串聯(lián)模型團(tuán)。 假設(shè)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(xué)模型為:,系統(tǒng)可靠性分析,抗側(cè)滾扭桿裝置每個部件的受力不一樣，一般來說，連桿只
4、受拉壓力，扭轉(zhuǎn)臂只受彎矩，而扭桿只受扭矩。在設(shè)計新的抗側(cè)滾扭桿裝置時，如果此抗側(cè)滾扭桿裝置與普通城軌車輛的抗側(cè)滾扭桿裝置相似，就可以采用相似產(chǎn)品法對新的抗側(cè)滾扭桿裝置的可靠性進(jìn)行預(yù)計。己知某普通城軌車輛的抗側(cè)滾扭桿裝置使用10年后的可靠性指標(biāo)RS=0. 75，各分系統(tǒng)的可靠度為:,為了適應(yīng)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，可以粗略地認(rèn)為扭桿的可靠
5、性與其強(qiáng)度成線性關(guān)系。經(jīng)計算，以前扭桿的強(qiáng)度為9. 806 X 106Pa，現(xiàn)在扭桿強(qiáng)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(yù)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(guān)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(jìn)行再分配。,可靠度再分配的基本思想是:認(rèn)為可靠性越低的分系統(tǒng)改進(jìn)起來越容易，反之則越困難。把原
6、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(jìn)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(cè)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(cè)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(fù)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(yīng)新的環(huán)境需要將扭桿和扭臂的可靠度提高以滿足設(shè)計要求，為此可從以下幾個方面考慮4, 56。 (i)采用剛度和強(qiáng)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42CrMo,38CrMoAlA和45CrNiMoVA等; (2)采用適當(dāng)?shù)脑黾訌?qiáng)度的加過工藝，如回火，淬火，高頻淬火和噴丸處理等加工工藝增加其強(qiáng)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(cè)滾扭桿裝置，比如CRH5就采用同一轉(zhuǎn)向架上設(shè)置2組抗側(cè)滾扭桿裝置。 為增大車輛的抗側(cè)滾剛度，采用抗側(cè)滾扭桿裝置，要增大該裝置的工作可靠度，根據(jù)新的設(shè)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(qiáng)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(fù)雜度升高，不符合新的設(shè)計要求。,
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