基于縱坡路況下的中低速磁懸浮轉向架的結構分析

徐浩然，崔建昆，王仲偉，宋亞楠，吳開宏

（1.上海理工大學機械工程學院，上海200093；2.上海航發機械有限公司，上海201906）

0 引 言

作為21世紀的新型軌道交通，中低速磁懸浮列車有著諸多的優點，比如爬坡能力強，轉彎半徑小，無污染，運行安全系數高等。

中低速磁懸浮列車在結構上主要由車體、轉向架、控制系統三部分組成。轉向架是整個磁浮列車最重要的部分，其性能的好壞將直接影響到磁浮列車的安全性與舒適性，也對整個列車的運行性能起到至關重要的作用。因此，對轉向架的強度計算分析是必須開展的工作。目前大多數研究主要集中在對中低速磁浮列車轉向架四個典型工況（即懸浮、剎車、停車和突然斷電）和彎道工況下的強度分析，如楊磊、趙志蘇［1］利用有限元分析軟件對轉向架在四種典型工況下的強度進行了分析，并提出了改進意見。然而，作為未來最有前景的交通工具，中低速磁懸浮列車將面臨更大的挑戰，這就要求磁浮列車能夠滿足更加惡劣的運行環境和更加復雜的路況。

我國中低速磁懸浮采用吸力型的懸浮方式，使車載電磁鐵與軌道在垂直方向的懸浮距離保持在8 mm左右，通過一套閉環系統來調整電磁力的大小，從而保持穩定的懸浮距離。然而磁浮列車在爬坡過程中，車體的重量不僅由空氣彈簧支撐，還有一部分由縱向拉桿支撐，轉向架的受力較為復雜，使得轉向架的受力與在水平軌道上運行有巨大的差異。為此，本文采用pro／e軟件對新型中低速磁浮轉向架進行建模，并利用ansys workbench分析軟件對轉向架在爬坡過程中的特殊工況進行剛度和強度分析，為后續的優化設計提供理論基礎。

1 有限元模型的建立

1.1 轉向架實體的建模

轉向架主要是由直線電機主梁、托臂、防側滾梁、綜合支架體、電磁鐵托臂連接件等組成。托臂和電磁鐵托臂連接件采用ZL101A鋁合金材料，直線電機主梁和直線電機梁連接法蘭采用6005A鋁合金材料，綜合支架體采用ZL201A鋁合金材料，它們之間均用螺釘、螺栓等緊固件連接。車體通過二系彈簧結構與轉向架連接，以支撐車體并傳遞橫向力和縱向力，如圖1所示為單個轉向架的三維模型。

在三維建模的過程中，對模型進行適當簡化，將螺栓連接部分簡化為剛性連接［2］，由于轉向架左右對稱，在有限元分析里，取轉向架的一半進行分析，并忽略對計算結果影響不大的駐車滑撬、液壓支撐輪［3］。

1.2 材料參數

轉向架主要采用ZL101A鋁合金、6005A鋁合金材料，材料的性能參數見表1所示。

1.3 建立有限元模型

將在pro／e里建立的轉向架模型另存為igs格式，并利用無縫對接技術導入ansysworkbench分析軟件［4］中，采用四面體網格進行網格劃分，整個模型被劃分成315 280個節點，164 062個單元格，其有限元模型如圖2所示。

圖1 中低速磁懸浮轉向架三維模型

表1 材料性能參數

圖2 轉向架有限元模型

2 受力分析與邊界條件分析

2.1 車體載荷和運行工況

由于目前尚沒有關于磁懸浮轉向架強度分析的理論標準，本文將根據實際的運行狀況和參考文獻［5］對轉向架在坡道運行時的各個工況進行剛度和強度分析。

由于在磁浮車運行過程中，轉向架與車體之間的運動比較復雜，基于以下兩種假設進行理論計算［6］。

（1）忽略車體地板線性滑槽與滑臺上線性軸承之間的摩擦力。

（2）假設縱向拉桿和橫向拉桿以及彈簧之間的受力互相不影響，高度調節閥能夠很好地調節空氣彈簧的高度使車體與轉向架的高度保持不變。

基于這兩種假設對磁懸浮轉向架坡道上運行工況及橫向風載進行受力分析，如圖3所示，并建立平衡方程。

圖3 車體受力分析

式中，G為1／5車體重量和滿載重量；W為作用在車體重心的橫向風力；m為空氣彈簧的中心的橫向距離；l為空氣彈簧的中心的縱向距離。

根據靜力學方程（1），并假定車輛在運行過程中受到10級的橫向風，斜坡角度為7°，其它參數依據某線中低速磁浮列車的真實參數進行計算。計算結果表明背風側的空氣彈簧受到的垂向力比迎風側受到的垂向力大的多。

2.2 工況及載荷

車體底板下的四個空氣彈簧分別用A、B、C、D表示，如圖3表示。

（1）工況一：車輛在斜坡上行駛，不受橫向風載。

轉向架承受自重、車體重量和車輛載重。由于車體下有五個轉向架聯接，在正常行駛情況下，車體不發生傾斜，左右轉向架受力相同，因此研究一個轉向架即可。根據實際情況，該轉向架模型所受車體重量為1 030 kg、承受車輛載重為1 000 kg。由于在斜坡上運行，車輛的自重和載重分別由空氣彈簧和縱向拉桿傳遞到轉向架上。

（2）工況二：車輛在斜坡上正常行駛，受橫向風載的影響。

轉向架所受自重、車體重量和車輛載重與工況一相同，但是由于車體在行駛過程中受橫向風載，車體在一定程度上發生了傾斜，由理論計算結果可知，左右轉向架受到的垂向力不同，同時除了縱向拉桿受力以外，橫向拉桿也會受力來限制車體的傾斜。

2.3 施加載荷和約束

對于工況一，車體自重和載重的垂向分力加載在托臂的空氣彈簧槽里，縱向分力加載在縱向拉桿支座上，對電磁鐵連接件的上表面釋放行駛方向的自由度，約束其他自由度，如圖4所示。

對于工況二，車體自重和載重的垂向分力加載在托臂的空氣彈簧槽里，縱向分力加載在縱向拉桿支座上，由于受到橫風的影響，車體發生側翻，導致左右轉向架的受力不同，同時由于側向風的影響，橫向拉桿支座也將受力，對電磁鐵連接件的上表面釋放行駛方向的自由度，約束其他自由度，其左右轉向架的載荷和約束如圖5、6所示。

圖4 工況一載荷和約束的施加

圖5 工況二背風側轉向架載荷和約束的施加

圖6 工況二迎風側轉向架載荷和約束的施加

3 計算結果與分析

3.1 靜剛度分析

磁懸浮列車在運行過程中，由控制系統控制磁鐵和軌道之間的間隙，因此轉向架在垂直方向的剛度對懸浮性能的影響最大，兩種工況下轉向架在垂直方向的位移等值線圖如圖7-9所示。

圖7 兩種工況下轉向架垂直方向的位移等值線圖

根據分析，在工況一和工況二，轉向架在垂直方向上的最大變形均在橫向拉桿支座上，同時由計算結果可知，背風側轉向架的橫向拉桿支座變形量最大，為0.58828 mm。轉向架的這種微小變形對懸浮間隙的影響不大，因此剛度滿足要求。

3.2 強度分析

由材料力學［7］可知，對于鋼、銅、鋁等塑性材料，可以根據第四強度理論，用Von Mises等效應力進行強度校核。在有側向風和無側向風兩種工況下，轉向架的Von Mises等效應力云圖如圖8所示。

根據圖8兩種工況下的應力分析，發現轉向架在斜坡上運行時，其最大應力發生在空氣彈簧下側的加強筋上，在背風側達到最大值29.018 Mpa，小于材料的許用應力，均在安全范圍內。

空氣彈簧槽下方的加強筋是該結構相對薄弱之處，作為支撐車體最重要的部分，應當增加該處加強筋的厚度。

4 結束語

本文在介紹了新型五轉向架磁懸浮列車的基礎上，著重分析了轉向架在有橫風和無橫風的影響下結構的可靠性，并且第一次通過理論分析得到空氣彈簧在兩種工況下的垂向力，最后通過有限元分析結果表明，為該車設計的轉向架在機械性能方面滿足要求。轉向架在兩種工況下，剛度和應力方面表現出較大的差異。在背風側，轉向架的變形和應力要比不受橫向風時的變形和應力大。

圖8 兩種工況下轉向架等效應力云圖

磁懸浮作為一種新型的軌道交通，其運用前景非常美好，但在實際應用當中，其運行工況非常復雜，因此轉向架的結構改進是一個長期的過程。綜合各方面因素，使整個轉向架的應力分布更加的合理，從而提高材料的利用率。

［1］楊 磊，趙志蘇.磁懸浮列車轉向架結構強度的有限元分析［J］.機械，2004，31（2）：13-15.

［2］周 益，劉 放，李 飛，等.運用SolidWorks和ANSYS的磁浮列車懸浮架結構有限元分析［J］.現代制造工程，2012，8：17-20.

［3］李萬莉，嚴 俊，朱福民.新型軌道運料車轉向架構架結構分析［J］.中國機械工程學報，2014，12（4）：336-341.

［4］劉 江，李萬全，高長銀，等.ANSYS 14.5Workbench機械仿真實例詳解［M］.北京：機械工業出版社，2015.

［5］TB／T1335-1996，鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規［S］.1996.

［6］尹力明，趙志蘇.空氣彈簧在磁懸浮列車上的應用研究［J］.機車電傳動，2002，5：29-52.

［7］劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2007.