副構(gòu)架直線電機(jī)車輛轉(zhuǎn)向架徑向裝置連接方式強(qiáng)度研究

蔣秋林 王蓮芝

(1.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司運(yùn)輸部，430083，武漢;2.蘇州大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，215317，蘇州∥第一作者，高級工程師)

直線電機(jī)車輛的牽引力是在車載定子和感應(yīng)軌間直接產(chǎn)生，不需齒輪傳動裝置，因而減少了轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量;其車輪僅起支撐承載作用，不傳遞牽引力，因而不再受到輪軌粘著因素的制約。非粘著的牽引模式使其具有較好的爬坡能力，并能在惡劣的環(huán)境和軌面條件下保持良好的性能。直線電機(jī)車輛線路的最大坡度可達(dá)60‰。從動力學(xué)性能方面看，直線電機(jī)車輛轉(zhuǎn)向架多采用徑向轉(zhuǎn)向架，提高了車輛的曲線通過性能。目前使用直線電機(jī)車輛的線路其最小曲線半徑可到80 m。此外，該種車輛還可降低曲線區(qū)段輪軌的磨耗，且車輛重心低，運(yùn)行平穩(wěn)性好。副構(gòu)架交叉桿式徑向結(jié)構(gòu)直線電機(jī)車輛轉(zhuǎn)向架是眾多直線電機(jī)車輛徑向轉(zhuǎn)向架的一種實(shí)現(xiàn)形式［1－4］。

副構(gòu)架交叉桿式徑向結(jié)構(gòu)直線電機(jī)車輛轉(zhuǎn)向架能很好地增強(qiáng)車輛的曲線通過性能［4－6］。但在實(shí)際運(yùn)行中，載荷及振動情況十分復(fù)雜，如果副構(gòu)架與軸箱/軸的連接方式不適當(dāng)?shù)脑挘瑫较蜓b置的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響［7］。采用該種徑向結(jié)構(gòu)形式的某型貨車轉(zhuǎn)向架就曾經(jīng)在副構(gòu)架與軸箱連接處出現(xiàn)過裂紋［8］。為此，本文在對該型轉(zhuǎn)向架進(jìn)行簡單介紹之后，將對其徑向裝置的連接方式及其在運(yùn)行過程中不同連接形式下連接處應(yīng)力進(jìn)行較深入的研究分析。

1 副構(gòu)架轉(zhuǎn)向架及其徑向裝置結(jié)構(gòu)

1.1 副構(gòu)架交叉桿直線電機(jī)車輛轉(zhuǎn)向架

軸箱內(nèi)置式副構(gòu)架交叉拉桿自導(dǎo)向直線電機(jī)車輛徑向轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該轉(zhuǎn)向架主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:①一系采用內(nèi)置軸箱定位裝置，跨距小;采用錐形橡膠彈簧與圓錐形橡膠堆進(jìn)行定位與懸掛，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用。②直線電機(jī)懸掛方式選用5點(diǎn)軸箱懸掛，電機(jī)通過5根吊桿懸掛在前后軸的軸箱上，氣隙穩(wěn)定。③徑向?qū)蜓b置采用副構(gòu)架交叉桿式自導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，通過合理的副構(gòu)架參數(shù)設(shè)置，能保證轉(zhuǎn)向架在直線上具有較高的臨界速度，又能使車輛通過曲線時(shí)輪對趨于徑向位置，減小輪軌之間的磨耗與噪聲。④轉(zhuǎn)向架無心盤、搖枕、搖動臺，完全由空氣彈簧承載全部的車體自重及載重;構(gòu)架是采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板和無縫鋼管組焊而成的H型構(gòu)架，構(gòu)架側(cè)梁為箱形封閉斷面的U型梁。⑤基礎(chǔ)制動采用外置盤形制動裝置，便于更換和維修，并加裝磁軌制動機(jī)用作緊急制動。

1.2 副構(gòu)架徑向裝置

副構(gòu)架直線電機(jī)車輛轉(zhuǎn)向架的徑向裝置采用兩根相互不連接的交叉桿將兩副構(gòu)架耦合起來，副構(gòu)架通過螺栓連接與副構(gòu)架座相連，副構(gòu)架座抱在軸上。這種方式既能讓轉(zhuǎn)向架的兩個(gè)輪對可以相互約束，提高車輛的蛇行臨界速度，又能使車輪在通過小半徑曲線時(shí)，趨于徑向位置，減小車輪與軌道間的沖角、橫向力以及相互間的磨耗。副構(gòu)架徑向裝置總體圖如圖2所示。

圖1 副構(gòu)架交叉拉桿自導(dǎo)向直線電機(jī)車輛徑向轉(zhuǎn)向架

圖2 副構(gòu)架徑向裝置

設(shè)計(jì)了如圖3所示的3種連接方式，用以進(jìn)行軸箱副構(gòu)架強(qiáng)度和疲勞的分析比較。

1)圖3(a)方案:鑄造結(jié)構(gòu)的U形梁通過螺栓與連接件結(jié)合，材料為B+級鋼，連接件的側(cè)表面上半圓與軸箱上蓋板焊接;力的傳遞路線由U形架傳到連接件上，然后橫向力經(jīng)由連接件(圖中B，C面)傳遞給軸箱(圖中A，D面)，縱向力經(jīng)由連接件傳遞給輪軸使輪對實(shí)現(xiàn)徑向位置。副構(gòu)架需要承受交叉拉桿傳來的交變載荷、連接件的反力以及轉(zhuǎn)向架振動產(chǎn)生的慣性力。這種連接的優(yōu)點(diǎn)是將一個(gè)較大質(zhì)量的副構(gòu)架分散為3個(gè)較小質(zhì)量的組成部分，可減小振動工況下的慣性力;缺點(diǎn)是組件結(jié)合的面較多，需要仔細(xì)考慮每個(gè)連接面的受力。

2)圖3(b)方案:U形梁、連接件上蓋板及軸箱上蓋板均鑄成一體，材料為B+級鋼，縱向力與橫向力都經(jīng)由一體化的副構(gòu)架來傳導(dǎo)。此種連接的優(yōu)點(diǎn)是副構(gòu)架自身不容易失效;缺點(diǎn)是質(zhì)量比較大，可能會由于自身振動帶給軸承的沖擊載荷導(dǎo)致軸承失效。

3)圖3(c)方案:軸箱與連接件鑄成一體，材料為B+級鋼，U形副構(gòu)架尾端通過螺栓與軸箱連接。此種由兩軸箱、U形梁構(gòu)成的副構(gòu)架，組成裝置結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量分布合理，預(yù)計(jì)只有螺栓結(jié)合處會產(chǎn)生疲勞破壞。

圖3 徑向裝置連接方案

2 副構(gòu)架3種結(jié)構(gòu)形式的強(qiáng)度研究

2.1 靜強(qiáng)度分析

通過有限元法對圖3所示的3種方案的副構(gòu)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。首先根據(jù)動力學(xué)分析得到副構(gòu)架在運(yùn)用中所承受的載荷，通過有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬計(jì)算。在有限元模型中，將圖3(a)和圖3(c)方案中的副構(gòu)架與軸箱的連接螺栓直接同副構(gòu)架及軸箱考慮為一體，約束施加在軸箱上部±60°的圓弧面上，為固定約束，載荷施加在交叉桿與副構(gòu)架連接的鉸接孔圓面上。然后，確定其在安全、可靠條件下運(yùn)用時(shí)所允許產(chǎn)生的最大應(yīng)力和最大變形，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析。

軸箱承受的載荷主要有:①豎向靜載荷(Pst);②豎向動載荷(Pv);③徑向交叉拉桿制動時(shí)對副構(gòu)架結(jié)構(gòu)的同側(cè)作用力(F1)，運(yùn)行時(shí)反向作用力(F2);④振動載荷(Pc)。考慮運(yùn)行實(shí)際情況和現(xiàn)有的相關(guān)要求，將以上載荷組合為4種工況，如表1所示。

表1 組合工況

由于第4種工況時(shí)最接近實(shí)際運(yùn)行情況，且該工況時(shí)副構(gòu)架受力最大，因此選取該工況時(shí)進(jìn)行3種副構(gòu)架組成方案的強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

3種副構(gòu)架組成方案的最大應(yīng)力及出現(xiàn)位置見表2。

圖4 第4種工況靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表2 副構(gòu)架最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)

2.2 疲勞分析

為了使計(jì)算結(jié)果更加貼合實(shí)際情況的疲勞載荷工況，加載載荷時(shí)間歷程時(shí)綜合考慮了運(yùn)用SIMPACK軟件在相當(dāng)于美國5級線路譜激擾輸入下時(shí)域積分后處理的動力學(xué)結(jié)果，并對比參照相關(guān)車輛試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料選擇的載荷－時(shí)間歷程，如圖5所示。采用疲勞累計(jì)損傷理論進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。3種方案的具體疲勞壽命情況見表3。

圖5 疲勞計(jì)算載荷－時(shí)間歷程

表3 副構(gòu)架最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)壽命

經(jīng)過強(qiáng)度及相應(yīng)的疲勞分析計(jì)算，可以得到:①3種結(jié)構(gòu)的副構(gòu)架靜強(qiáng)度中，方案(b)副構(gòu)架最大靜應(yīng)力接近許用應(yīng)力，容易破壞;(a)、(c)兩方案的副構(gòu)架組成裝置靜強(qiáng)度安全裕量較大。②3種副構(gòu)架的螺栓連接處以及副構(gòu)架連接臂處為應(yīng)力集中部位，在設(shè)計(jì)和制造中需要引起注意。③采用副構(gòu)架連接臂與軸箱側(cè)板焊接結(jié)構(gòu)的副構(gòu)架(方案(a))，其焊接處存在應(yīng)力集中的情況，動應(yīng)力變化很大，容易疲勞失效。④采用一體式鑄造的副構(gòu)架(方案(b))受力最為均勻，但在運(yùn)行中，這種結(jié)構(gòu)對軸箱軸承的沖擊載荷最大，另外這種結(jié)構(gòu)還會帶來制造困難、對連接件強(qiáng)度要求高等問題。⑤采用一體式軸箱連接臂與U形梁螺栓連接的副構(gòu)架(方案(c))，不僅受力分布均勻，危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的動應(yīng)力變化最為緩和，疲勞壽命最長，而且便于裝配，對軸箱軸承的沖擊載荷較小，因此在3種方案中綜合性能最優(yōu)。

3 結(jié)語

在副構(gòu)架直線電機(jī)車輛徑向轉(zhuǎn)向架其它結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，給出了軸箱與副構(gòu)架連接的3種方式，并進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞分析。在軸箱副構(gòu)架3種連接方式中，軸箱與連接件鑄成一體、U形副構(gòu)架尾端通過螺栓與軸箱連接的方案，其最大應(yīng)力為3種方案中最小而且具有較大的安全裕量;同時(shí)，一體式軸箱連接臂與U形梁螺栓連接形式的副構(gòu)架，其受力均勻，危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)動應(yīng)力變化平緩，疲勞壽命長，對軸箱軸承的沖擊載荷較小，為3種方案中的最優(yōu)。

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