CZ170型跨坐式單軌作業車轉向架構架結構分析與測試*

李旭娟， 繆炳榮， 史艷民， 陳建政， 譚仕發

(西南交通大學　牽引動力國家重點實驗室, 四川成都 610031)

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CZ170型跨坐式單軌作業車轉向架構架結構分析與測試*

李旭娟， 繆炳榮， 史艷民， 陳建政， 譚仕發

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室, 四川成都 610031)

針對CZ170型跨坐式單軌作業車進行應力試驗。依據GB50458-2008跨坐式單軌交通設計規范對該型車輛轉向架構架進行實時應力測試。采用應力應變原理，進行該型車輛轉向架構架的強度測試和分析。測試得到跨坐式單軌作業車在平直道工況，彎道工況，上坡道工況，下坡道工況的應力值。根據該單軌轉向架構架材料Q345A的相關材料特性以及機車車輛結構靜強度評價方法進行評價結果。由測試結果知，在超常工況下，構架縱向梁與端梁的焊縫處應力較大，且最大應力值不超過許用應力，則構架結構滿足應力要求。

跨坐式單軌車輛； 轉向架構架； 應力測試； 靜強度評價方法

單軌交通系統是一種由單條軌道組成的典型高架交通方式，作為一種新型城市軌道交通系統，其具有解決當前城市交通擁擠問題，高效，環保，減小噪聲等優勢[1]。而跨坐式單軌車輛作為單軌交通方式的一種，是通過騎跨于軌道梁上而行駛[2]。跨坐式單軌交通作為一種城市快速客運交通工具，具有運量大，方便快捷，爬坡能力強，適應小半徑曲線等特點，非常適合于地形復雜，彎道多，地面起伏較大的城市[3]。重慶市由于其特殊地形條件，將跨坐式單軌交通系統作為城市軌道交通首選方式，而且重慶單軌作為在中國首個城市推出的交通方式，是于在2005年6月18日公開[4-5]。目前跨坐式單軌交通系統已經在重慶市得到應用，相關研究逐漸引起工程、學術界的重視[6]。同時為我國其他城市的跨坐式單軌交通制式的應用和推廣奠定了良好的基礎和條件[7]。

依托于中鐵寶工有限責任公司新近研制的CZ170型跨坐式單軌作業車的相關基礎資料展開研究，并基于在重慶(重慶軌道3號線)進行的線路專業測試試驗結果，以及國內外相關研究基礎上，對該跨坐式單軌轉向架構架的結構應力進行較深入的理論分析和試驗研究，并對試驗結果進行評價，為企業的技術設計提供技術支持。希望為我國城市地鐵和高架輕軌交通的發展、設計及技術的再創新提供試驗依據，同時有利于跨坐式輕軌列車在國內其他城市的推廣應用。

1　CZ170型跨坐式單軌作業車簡介

CZ170型單軌作業車是中鐵寶工有限責任公司為跨坐式軌道交通專門設計開發的作業車，如圖1所示。主要用于檢修軌道梁上安裝的供電、信號、通信、機電系統設備設施。運送維護人員、器材、工具到作業現場，具備設備搶修和應急救援功能。

其主要技術參數為：車輛最高運行速度為40 km/h，最小通過曲線半徑為50 m，外形尺寸為8 300 mm×2 900 mm×5 160 mm，整備重量為15 t，承載載荷為800 kg，發電機功率為186 kW。

圖1　現場試驗的跨坐式單軌車輛

2　轉向架構架結構

CZ170型跨坐式單軌作業車轉向架結構和主要尺寸應與軌道梁相匹配，并保證其相關部件在允許磨損限度內，仍能有足夠的強度和剛度，確保列車以最高允許速度安全平穩運行。即使在支撐或減振系統發生故障時，也應能確保車輛軌道梁上安全返回車輛段。

圖2　跨坐式單軌車輛轉向架構架

3　試驗內容介紹

3.1試驗簡介

本次試驗是在重慶軌道交通3號線龍頭寺站與鴛鴦站間進行正線在線動應力測試，根據文獻[10]以及相關資料，3號線線路南起魚洞，北至江北國際機場，全長約55.5 km，采用PC混凝土軌道梁，最小曲線半徑正線100 m，站線 50 m，最大坡度60‰。

根據GB 50458-2008跨坐式單軌交通設計規范對該轉向架構架進行應力測試。目的是確保該單軌作業車在超常載荷工況下能安全可靠運行。通過對該作業車轉向架構架進行應力貼片測試，根據疲勞強度報告[11]，結合其在線路上運行的實際工況，包括牽引-上坡道(加配重1 t)，牽引-彎道(加配重3 t)，和牽引-下坡道(加配重3 t)等，應用數據采集系統采集線路實測數據。該試驗的主要設備和儀器包括德國imc集成測控公司的FAMOS數據采集系統，動態應力應變儀、計算機和應變片(溫度補償片)以及若干數據線等。

3.2測點布置

本文的難點在于跨坐式單軌作業車轉向架屬于新型轉向架，應力選取方案難度較大。在線路實測條件下，為了了解該轉向架構架在要求工況運行時的結構特性，主要對單軌轉向架的4種作業工況：靜態工況、運行工況、曲線工況、和牽引工況等進行有限元結構強度分析計算，得到高應力測點(也即危險部位)，選取這些高應力點作為試驗的測點，具體位置如表1所示。根據有限元計算中顯示的危險部位[11](轉向架構架在曲線工況的邊界條件如圖3所示)。對構架布置了20個應力測點，特別是對該單軌作業車轉向架構架的主要焊縫部位進行重點測量。

圖3　構架邊界條件

表1　測點位于構架的位置

各個測點的詳細布置見圖4～圖6所示。其中，圖示貼有應變片標記但沒有標出測點號的位置是對應測點的對稱位置，每一個應變片都備有一個溫度補償片。為保證采集應力數據的可靠性，本次構架試驗貼片方式為半橋。在構架變形較小區域粘貼和測試片同材料的應變片作為溫度補償片，并連接在應變片相鄰的橋臂上，這樣當環境溫度變化時可以作為溫度補償，用以消除應變片測量誤差。

圖4　構架應力測點布置主視圖

圖5　構架應力測點布置側視圖

圖6　構架應力測點布置俯視圖

4　數據結果處理

4.1數據采集

進行試驗時，按照試驗常規采用的采樣頻率重點測取該單軌轉向架構架各處的實際的應力，利用FAMOS數據處理軟件，應力應變儀，計算機，數據線等實時采集該單軌車轉向架構架結構上相關位置的數據信息，包括應力，應變信息。為了數據處理方便起見，本次試驗對采集的應變信息全部處理為應力信息，具體由式(1)的關系進行。具體的數據處理流程如圖7所示。

(1)

其中E為材料的彈性模量。

4.2理論背景

根據文獻[12]，機車車輛承載結構強度評定分為靜強度和疲勞強度評定。靜強度評價方法是：該單軌車轉向架構架在相關標準規定的載荷作用下，在正常運行載荷作用下，其最大Von_Mises應力不大于制造材料的許用應力，即

(2)

圖7　數據處理流程

材料名稱Q345A抗拉強度/MPa470-630屈服強度/MPa345許用應力/MPa正常工況超常工況非焊縫區230345焊縫區209313

4.3數據結果分析

根據處理完畢的數據，在Origin中進行分析，得到該跨坐式單軌作業車分別在4種線路條件(牽引-上坡道(加配重1 t)，牽引-彎道(加配重3 t)，和牽引-下坡道(加配重3 t)等)下的應力數據值如圖8～圖11所示。圖示中分別記錄了各測點的應力平均值，最大值，最小值。

圖8　上坡道加配重1 t各測點應力值

圖9　平直道加配重3 t各測點應力值

圖10　下坡道加配重3 t的各測點應力值

圖11　彎道加配重3 t的各測點應力值

由圖8～圖11顯示的測試結果知：在上坡道加配重1 t工況下最大應力絕對值出現在測試點3(13)位置，其最大應力為-295.791 MPa，由表1知該位置為構架縱向梁與端梁的焊縫處。在平直道加配重3t工況下最大應力絕對值出現在測試點3(13)位置，其最大應力為-300.302 MPa。在下坡道加配重3t工況下最大應力絕對值出現在測試點3(13)位置，其最大應力為-307.435 MPa。在彎道加配重3 t工況下最大應力絕對值出現在測試點3(13)位置，其最大應力為-304.601 MPa，由表1知該位置為構架縱向梁與端梁的焊縫處，在超常工況下焊縫處最大應力值不超過313 MPa，則在這4種工況下，構架結構滿足應力要求。

因此，構架縱向梁與端梁的焊縫處應力值較大，焊接時應當保證足夠的焊接強度，同時在日常維修時此處應當著重檢查、保養。

5　結　論

通過對CZ170型單軌車作業車轉向架構架進行應力測試、數據處理、結果分析等，在上坡道加配重1 t工況、平直道加配重3 t工況、下坡道加配重3 t工況、彎道加配重3 t工況下，根據該單軌轉向架構架材料Q345A的相關材料特性以及機車車輛結構靜強度評價方法進行評價測試結果。由測試結果知，在超常工況下，構架縱向梁與端梁的焊縫處應力較大，且最大應力值不超過許用應力，則構架結構滿足應力要求。由選取的應力點核實，采用的試驗工況合理，對結果的計算和分析較正確。焊接時應當保證該焊接處足夠的焊接強度，同時在日常維修時此處應當著重檢查、保養。

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[4]Taketoshi Sekitani, et.al. China's First Urban Monorail System in Chongqing[J].Hitachi Review, 2005,54(4):193:197.

[5]馬繼兵.跨坐式單軌交通系統結構靜動力行為研究[D].成都:西南交通大學,2008:1-18.

[6]馬繼兵,蒲黔輝,夏招廣.重慶跨坐式單軌交通系統動載試驗研究[J].鐵道工程學報,2007,11:69-75.

[7]仲建華.跨坐式單軌交通在我國的應用和創新[J].都市快軌交通,2014,27(2):1-5.

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[12]米彩盈.鐵道機車車輛結構強度[M].成都:西南交通大學出版社,2007.

Analysis and Test of Bogie Frame Structure for CZ170 Straddle-type Monorail Vehicle

LIXujuan,MIAOBingrong,SHIYanmin,CHENJianzheng,TANShifa

(Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

This paper mainly introduces the stress test aiming at CZ170 straddle-type monorail vehicle. The stress test of bogie frame was performed according to the type monorail transportation design specification GB50458-2008, and the strength test and analysis was conducted using the theory of stress and strain. The stress values were obtained including static state conditions, straight road conditions, bend road conditions, downhill conditions. By the relevant material properties of bogie material Q345A and the static strength evaluation method based on the structure of rolling stock, the results were evaluated. The test results show that the stress of the weld position between the bogie frame longitudinal beam and the end beam has greater value in extraordinary conditions, the maximum stress value does not exceed the allowable stress value, and the frame structure can meet the stress requirements.

straddle-type monorail vehicle; bogie frame; stress test; static strength evaluation method

1008-7842 (2016) 02-0107-05

??)女，碩士研究生(

2015-12-29)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.26

*國家自然科學基金(51375405)