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《K18DG（N）型煤炭漏斗车制动系统控制杆改进》

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摘要：为了解决K18DG（N）型煤炭漏斗车前制动杠杆上加控制杠杆后控制杆长度增加,从而导致变形增大、产生永久变形而使载荷减小的问题,笔者通过优化方案,改进设计了K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆,采取受力有限元分析方法和试件现场加力试验方法,与普通控制杆进行了对比分析,按照改进方案进行了装车试验验证,证明改进设计的K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆满足制动要求,在克服主弹簧压缩载荷时,强度和刚度足够,满足装车要求.

关键词：煤炭漏斗车；K18DG（N）；改进设计；控制杆；闸调器

中图分类号：U272.6+2；U270.35文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.10.110

20世纪60年代后期,我国设计了K18型漏斗车.到20世纪80年代末期,经过多次改进,先后设计了K18F型、K18D型、K18DG型等改进车型.1987年,对车体进行了加强,运用情况良好,很受用户欢迎.2000年,在原K18系列漏斗车基础上,设计了K18DG（N）型漏斗车,其车体主要结构与K18D相同,主要板材材质由普碳钢改为耐候钢,中梁结构尺寸未作变化,材质由12Mn改为16Mn,提高了材料强度；其制动系统的GK型三通阀改为120制动机,并加装ST2-250型闸调器.在检修中发现：闸调器对二位转向架轮瓦间隙无调整作用.按照《铁路货车制动装置检修规则》[1]要求进行制动试验时发现,在一位转向架轮瓦间隙变化时,闸调器调整作用正常,制动缸行程正常；在二位转向架轮瓦间隙变化时,闸调器不能起到相应的调整作用,制动缸行程不能恢复到初始调定值.笔者针对此问题进行了分析与改进.

1闸调器安装及控制杆改进

K18DG（N）型煤炭漏斗车制动系统采用闸调器布置于前后制动杠杆中间的方案,且闸调器控制杆固定于支点上,该支点焊在底架上.在二位端轮瓦间隙发生变化的时候,闸调器控制杆及挡铁不能和前制动杠杆随动,闸调器螺杆长度不随二位轮瓦间隙的减小或增大而伸长或缩短,闸调器没有起到相应的调整作用,导致制动缸活塞行程不能恢复至新轮新瓦时的初始调定值.为此,笔者对原设计方案进行了改进,具体包括：取消原来的控制杆支点座；加装控制杠杆和控制杠杆支点,将控制杠杆加在前制动杠杆上方；加长控制杆,改进其连接方式,将控制杆一端与前制动杠杆之间用光圆销连接起来.

在K18DG（N）型煤炭漏斗车前制动杠杆上加控制杠杆后,闸调器与控制杆的布置见图1.在图1中,控制杆总长为9,尾部至销孔中心长度为925mm.K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆与普通控制杆的比较见第111页图2.

2有限元对比分析

欧拉公式为

式中：Pj为临界压力,N；E为弹性模量,Pa；I为横截面惯性矩,m4；μ为长度系数,该处取值为2；l为杆的长度,mm.

根据许用应力公式

可以得出控制杆受力公式为

式中：Wz为抗弯截面模量,m3；σ为许用应力,Pa；d为偏心距离,m.

2.1普通控制杆受力分析

普通控制杆由24mm×24mm方钢制造,材料为Q235-A,其尾部至销孔中心长度为430mm.当其仅受轴向力F时,根据式（1）计算可知,F必须至少达到75926N,方能致使普通控制杆失稳；而当其受弯矩M时,根据式（3）计算可知,F仅需要达到6227N,就能致使普通控制杆失稳.在正常情况下,普通控制杆仅承受主弹簧力,经计算可知,主弹簧压缩载荷为3234N,小于普通控制杆弯曲所需最小作用力.

由于普通控制杆端部采用销钉连接,在销钉处仅能转动而不能移动,因此在建立模型时,在销钉连接处施加可转动的位移约束；由于闸调器在作用过程中可以移动,因此在分析时,挡铁处力的方向应视为挡铁孔中心和销钉孔中心连接的直线上.为了和试验作对比,假定控制杆的受力为4kN.

通过有限元分析,在受到4kN的主弹簧力时,最大应力为155.9MPa,沿普通控制杆方向的最大位移为0.838mm,挡铁孔中心的位移为0.601mm.当材料为Q235-A,普通控制杆克服主弹簧力为

3234N时,可线性折算,最大应力为126.0MPa,小于材料作为制动配件时的许用应力136MPa.最大位移为0.486mm,与试验得到的0.5mm相当

接近.

2.2K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆受力分析

K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆整体由直径38mm的圆钢制造,尾部与控制挡铁配合部分做成24mm×24mm方形,材料为Q235-A,其尾部至销孔中心长度为925mm.当其仅受轴向力F时,根据式（1）计算可知,F必须至少达到16407N,方能致使K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆失稳；而当其受弯矩M时,根据式（3）计算可知,F仅需要达到6227N,就能致使K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆失稳.在正常情况下,K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆仅承受主弹簧力,经计算主弹簧压缩载荷3234N,小于K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆弯曲所需最小作用力.

通过有限元分析,在受到4kN的主弹簧力时,最大应力为171.3MPa,沿K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆方向的最大位移为1.674mm,挡铁孔中心的位移为1.224mm.在材料为Q235-A,K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆克服主弹簧力3234N时,可线性折算,最大应力为138.5MPa,超过材料作为制动配件时的许用应力136MPa,为此选用Q345材质,作为制动配件时许用应力为183MPa,最大位移为0.990mm.

2.3有限元对比分析结论

通过对比分析可知：在克服相同主弹簧力时,K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆比普通控制杆受到最大应力大；K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆比普通控制杆位移量稍大,但均不超过1mm.

3试验对比分析

3.1试件现场加力试验

在试验台上对K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆和普通控制杆进行现场加力试验,其中试件一为K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆,试件二为普通控制杆.试验情况见第112页表1.

3.2试验对比分析结论

通过试验对比可知：在克服大于主弹簧压缩载荷的相同作用力时,K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆和普通控制杆的弹性变形均比较小,K18DG（N）型煤炭漏斗车控制杆和普通控制杆产生永久变形的作用力远大于主弹簧压缩载荷.

4按照改进方案的装车试验验证

按照改进方案,将改进后的配件装车.新轮新瓦时,调动缸活塞行程125mm,闸调器螺杆长度208mm,固定挡铁,进行试验验证.

1）一位端加垫16mm：第三次制动,制动缸行程128mm,闸调器螺杆长度219mm.

2）一位端减垫16mm：第三次制动,制动缸行程125mm,闸调器螺杆长度209mm.

3）二位端加垫16mm：第三次制动,制动缸行程127mm,闸调器螺杆长度220mm