有軌電車鉸接裝置的結(jié)構(gòu)及有限元分析*

許　敏，　吳學(xué)政，　曾潞洋

上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司　上海　200245

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有軌電車鉸接裝置的結(jié)構(gòu)及有限元分析*

許敏，吳學(xué)政，曾潞洋

上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司上海200245

介紹了有軌電車鉸接裝置的分類、技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并采用有限元技術(shù)對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。

有軌電車； 鉸接裝置； 結(jié)構(gòu)； 強(qiáng)度

目前，國內(nèi)外有軌電車每列車有3模塊、5模塊、7模塊等類型[1-2]，本文以5模塊列車為例進(jìn)行分析。如圖1所示，M1、M2為帶司機(jī)室的動(dòng)車模塊，C1、C2為懸浮模塊，NP為帶受電弓的拖車模塊，各模塊之間通過鉸接裝置連接。鉸接裝置由固定鉸、轉(zhuǎn)向鉸、自由鉸和車頂緩沖器組成，其中固定鉸4個(gè)、轉(zhuǎn)向鉸3個(gè)、自由鉸1個(gè)、車頂緩沖器3個(gè)。

圖1　5模塊有軌電車示意簡圖

1　鉸接裝置的分類

如前所述，有軌電車鉸接裝置用于模塊件的連接和承載。按照功能的不同，可分為處理水平曲線的H型鉸接和處理水平及豎直曲線的HV型鉸接。

1.1H型鉸接

按照在車輛中安裝位置的不同，H型鉸接又可分為固定鉸和轉(zhuǎn)向鉸。固定鉸(圖2)安裝位置較低，也稱A型鉸鏈。轉(zhuǎn)向鉸(圖3)安裝位置較高，也稱B型鉸鏈。與H型鉸接配套，在模塊連接的上部設(shè)置車頂緩沖器，用于調(diào)節(jié)模塊之間的緩沖。

圖2　固定鉸

1.2HV型鉸接

自由鉸(圖4)為HV型鉸接，設(shè)置在車輛模塊連接部位的上部，用于豎直和水平旋轉(zhuǎn)，又稱為C型鉸鏈。

圖3　轉(zhuǎn)向鉸

圖4　自由鉸

2　主要技術(shù)參數(shù)

2.1基本參數(shù)

有軌電車鉸接裝置的基本參數(shù)如表1所示。

表1　有軌電車鉸接裝置的基本參數(shù)

2.2固定鉸參數(shù)

車輛通過曲線時(shí)的轉(zhuǎn)角范圍為±38°，車輛通過豎曲線時(shí)的極限轉(zhuǎn)角為±6.5°，車輛通過豎曲線時(shí)的名義轉(zhuǎn)角為±3.7°。

強(qiáng)度要求： 縱向壓縮時(shí)為600kN，縱向拉伸時(shí)為400kN，橫向?yàn)?00kN，豎向?yàn)?00kN。

鉸接本身的最大噪聲在有軌電車所有車速和運(yùn)行模式下不得高于60dB(A)。此外，按照《ISO 9227—2012人造環(huán)境中的腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》，鉸接必須經(jīng)受1000h試驗(yàn)，無腐蝕產(chǎn)生。

2.3轉(zhuǎn)向鉸參數(shù)

在接點(diǎn)確定的條件下，允許以調(diào)節(jié)長度的方式調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向鉸尺寸。此外，轉(zhuǎn)向鉸水平方向旋轉(zhuǎn)角為30°，豎直方向旋轉(zhuǎn)角為0°。

強(qiáng)度要求： 縱向?yàn)?120kN/-81kN，橫向?yàn)椤?6kN，豎向?yàn)?。

2.4自由鉸參數(shù)

自由鉸在準(zhǔn)靜態(tài)水平面內(nèi)與車體的位移和系統(tǒng)質(zhì)量兼容，且橫向尺寸可調(diào)。自由鉸水平方向旋轉(zhuǎn)角為30°，豎直方向旋轉(zhuǎn)角為4°。

強(qiáng)度要求： 縱向?yàn)?，橫向?yàn)椤?5kN，豎向?yàn)?。

2.5車頂緩沖器參數(shù)

車頂緩沖器壓力設(shè)定為4000(1±10%) N，最大作用力為7800N，最小作用力為6000N，減振系數(shù)為106Ns/m，連接剛度大于106N/m。

運(yùn)行時(shí)活關(guān)節(jié)上減振器的搖擺要求： 當(dāng)有軌電車通過曲線時(shí)，減振器在其活關(guān)節(jié)上移動(dòng)+17°；當(dāng)有軌電車通過凸起和凹陷處時(shí)，減振器在其活關(guān)節(jié)上移動(dòng)+3°；當(dāng)車體傾斜度有變化時(shí)(軌道超高)，減振器在其活關(guān)節(jié)上傾斜+1°；當(dāng)有軌電車在坡道上時(shí)，減振器相對其初始水平位置傾斜±70%。

3　鉸接裝置的具體結(jié)構(gòu)和主要功能

3.1固定鉸

固定鉸可限制3個(gè)方向的平動(dòng)，使兩側(cè)能繞3個(gè)方向相互旋轉(zhuǎn)，傳遞豎向力及大部分縱向力與橫向力。固定鉸的具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　固定鉸具體結(jié)構(gòu)

固定鉸由兩個(gè)高強(qiáng)度碳鋼鑄件和一個(gè)球形軸承組成，作為車輛模塊間的連接裝置和受力單元，其強(qiáng)度能夠滿足車體相鄰模塊對其施加的受力要求。固定鉸截面如圖6所示。

圖6　固定鉸截面

固定鉸主要功能： ① 支撐懸浮模塊[3]的垂直荷載；② 傳遞由牽引或制動(dòng)導(dǎo)致的縱向加速度；③ 可進(jìn)行水平和豎直面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；④ 能夠滿足各種車架工況的要求；⑤ 當(dāng)車輛出軌時(shí)，能滿足復(fù)軌要求；⑥ 當(dāng)車輛受到劇烈沖擊時(shí)，能保證車輛之間的安全連接；⑦ 可使車輛吊起用于各種維護(hù)作業(yè)；⑧ 保證在整個(gè)使用壽命中，車輛運(yùn)行不產(chǎn)生噪聲污染。

3.2轉(zhuǎn)向鉸

轉(zhuǎn)向鉸能夠和固定鉸共同作用，使相鄰模塊間只能繞著由固定鉸軸承和轉(zhuǎn)向鉸軸承兩個(gè)中心構(gòu)成的軸線進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)向鉸由高強(qiáng)度碳鋼鑄件和中間的球形軸承構(gòu)成，位于折棚風(fēng)擋的上部，安裝在車頂?shù)陌惭b座上。轉(zhuǎn)向鉸具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　轉(zhuǎn)向鉸具體結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向鉸主要功能： ① 能提供兩個(gè)車體之間的機(jī)械連接；② 保證由端部樞軸承帶動(dòng)的互聯(lián)通道豎直軸旋轉(zhuǎn)與下部鉸接一致；③ 可縱向調(diào)節(jié)，補(bǔ)償下部鉸接接合后車體間的高度差；④ 互聯(lián)通道連接兩個(gè)相鄰車體，并使其在軌道曲線段運(yùn)行時(shí)僅圍繞豎直軸旋轉(zhuǎn)；⑤ 允許加速、制動(dòng)，也允許一列有軌電車與另一列有軌電車的連掛。

3.3自由鉸

為了保證車輛能順利通過曲線及上下坡道，在車輛懸浮車體和中間車體之間的上鉸采用自由鉸連接。自由鉸不限制相鄰車體之間的豎向、縱向平動(dòng)和三向轉(zhuǎn)動(dòng)，僅限制橫向平動(dòng)，從而保持相連接車體間相對位置的穩(wěn)定性。自由鉸不承受豎向力和縱向力，僅承受橫向力。

自由鉸通過兩個(gè)關(guān)節(jié)軸承與固定鉸的軸承配合作用，能使相鄰車體間進(jìn)行俯仰、滾動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)。自由鉸主要由兩側(cè)的碳鋼鑄件、連接管和兩個(gè)關(guān)節(jié)軸承組成，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　自由鉸具體結(jié)構(gòu)

自由鉸主要功能： ① 屬于柔性連接，能滿足橫向平動(dòng)；② 設(shè)有緩沖器，具有緩沖功能；③ 當(dāng)車輛通過曲線、坡度或出軌時(shí)，能夠保證豎向穩(wěn)定性。

3.4車頂緩沖器

車頂緩沖器(圖9)用于控制車輛的動(dòng)力學(xué)特性，緩解車體間的縱向、豎向和橫向振動(dòng)，對車體間極端峰值力能夠有效削減，對轉(zhuǎn)向架使用壽命的延長、乘客乘坐舒適性的提高都有很大作用。車頂緩沖器主要功能為減少搖擺旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使有軌電車可以在曲線、凸起和凹陷處運(yùn)行。

圖9　車頂緩沖器

4　有限元計(jì)算

利用有限元分析法對鉸接安裝座進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)和穩(wěn)定性驗(yàn)證。

4.1有限元計(jì)算規(guī)范

計(jì)算主要依據(jù)《EN 12663—2010鐵路應(yīng)用設(shè)施鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》[4]，并參考德國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(VDV 152)。在各工況下鉸接安裝座的應(yīng)力均不得大于材料的許用應(yīng)力[5]，見表2。

表2　鉸接安裝座主要部位材料的許用應(yīng)力　MPa

4.2強(qiáng)度計(jì)算工況[6]

分別對動(dòng)車和懸浮車的鉸接安裝座進(jìn)行計(jì)算，其工況如表3所示。

表3　鉸接安裝座計(jì)算工況

4.3有限元分析

通過有限元計(jì)算，鉸接及鉸接安裝座的計(jì)算應(yīng)力均應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力，并滿足EN 12663—2010標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于強(qiáng)度的要求。以下是某項(xiàng)目的有限元分析。

(1) 轉(zhuǎn)向鉸安裝座在靜載荷工況下最大應(yīng)力如圖10所示。

圖10　轉(zhuǎn)向鉸安裝座在靜載荷工況下的最大應(yīng)力云圖

(2) 緩沖器安裝座在靜載荷工況下最大應(yīng)力如圖11所示。

圖11　緩沖器安裝座在靜載荷工況下的最大應(yīng)力云圖

(3) 轉(zhuǎn)向鉸安裝座在疲勞載荷工況下最大應(yīng)力如圖12所示。

圖12　轉(zhuǎn)向鉸安裝座在疲勞載荷工況下的最大應(yīng)力云圖

(4) 緩沖器安裝座在疲勞載荷工況下最大應(yīng)力如圖13所示。

圖13　緩沖器安裝座在疲勞載荷工況下的最大應(yīng)力云圖

5　結(jié)論

當(dāng)前，有軌電車已成為城市交通發(fā)展的熱點(diǎn)[7-10]。有軌電車車輛模塊之間連接通過鉸接裝置來實(shí)現(xiàn)，能夠滿足車輛之間水平、旋轉(zhuǎn)和俯仰等運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在車頂模塊間設(shè)置緩沖器，用于控制動(dòng)力學(xué)特性。通過靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證鉸接及鉸接安裝座的應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

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An introduction was gived on classification， technical parameters and structural characteristics of tramcar hinge mechanism and finite element techniques was adopted to validate its structural strength.

Tramcar； Hinge Mechanism； Structure； Strength

*上海市科委科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(編號： 15DZ1204303)

2016年1月

許敏(1979—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事軌道交通行業(yè)設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，

E-mail： xumindys@163.com

TM925.03;U463.99

A

1674-540X(2016)02-018-05