懸掛式單軌車(chē)輛搖枕強(qiáng)度分析

戴鑫亮 王伯銘

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610031，成都//第一作者，碩士研究生)

搖枕作為懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架的重要組成元件之一，是整個(gè)轉(zhuǎn)向架的主要承載件。其功能包括傳遞車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向力、縱向力和垂向力，提供二系懸掛元件的安裝位置，以及限制車(chē)體與轉(zhuǎn)向架的相對(duì)擺角等。搖枕可靠性的高低對(duì)整車(chē)的安全性以及平穩(wěn)性有較大影響。目前，與懸掛式單軌相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范尚未成型，本文以EN 13749、UIC 515標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中的特性，推演出懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架搖枕的載荷工況，用于其靜強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度的分析。

1 搖枕有限元模型建立

搖枕整體結(jié)構(gòu)主要由薄板與中心實(shí)體部分焊接而成，通過(guò)UG軟件建立其三維模型(見(jiàn)圖1)，將其幾何外形導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行有限元前處理。在建立搖枕有限元模型時(shí)采用2D殼單元對(duì)搖枕薄板進(jìn)行劃分，對(duì)于搖枕中部實(shí)體部分采用3D實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)有限元模型(見(jiàn)圖2)共使用S4R單元171 061個(gè)，C3D4單元142 632個(gè)，Beam單元32個(gè)。

圖1 搖枕結(jié)構(gòu)三維模型

圖2 搖枕有限元模型

2 載荷及邊界條件確定

本文根據(jù)EN 13749以及UIC 515相關(guān)規(guī)定，在計(jì)算懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架搖枕時(shí)主要考慮其所承受的橫向力、縱向力、垂向力，以及側(cè)風(fēng)等4項(xiàng)基本載荷，并且加入減振器、抗側(cè)滾扭桿，以及空氣彈簧輔助氣室內(nèi)壓等附加載荷。計(jì)算過(guò)程中各個(gè)變量的含義如表1所示。

表1 變量含義說(shuō)明

搖枕整體為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，中部設(shè)有可沿x軸旋轉(zhuǎn)的承載銷(xiāo)，承載銷(xiāo)限定了搖枕沿x、y、z方向的平動(dòng)，以及沿y、z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。為限制搖枕沿x方向的轉(zhuǎn)角，搖枕中心上表面設(shè)有搖擺止擋。垂向力作用在搖枕上空氣彈簧座位置，縱向力作用在牽引拉桿安裝座上，而橫向力較小時(shí)主要作用于空氣彈簧，當(dāng)橫向力較大時(shí)由空氣彈簧和橫向止擋共同承擔(dān)。圖3為搖枕邊界條件。

注：1——空氣彈簧安裝座；2——橫向止擋；3——牽引拉桿安裝座；4——搖擺止擋(安裝于中心銷(xiāo)上)；5——承載銷(xiāo)

3 搖枕工況組合

搖枕的工況組合主要考慮在超常工況下的基本載荷與附加載荷的組合，以及運(yùn)營(yíng)工況下的基本載荷與附加載荷的組合。

3.1 基本載荷工況組合

基本載荷工況主要包含搖枕所受橫向力、垂向力、縱向力以及側(cè)風(fēng)。由于需考慮車(chē)體因側(cè)滾和沉浮而導(dǎo)致的搖枕兩側(cè)空氣彈簧受力不一致，所以將垂向力及其對(duì)應(yīng)的橫向力進(jìn)行關(guān)聯(lián)組合。

根據(jù)UIC 515-4所規(guī)定，基本載荷組合共有12種工況(見(jiàn)表2)。對(duì)于超常工況，垂向載荷Fz=Fe，z，橫向載荷Fy=Fe，y，縱向載荷Fx=Fe，x，F(xiàn)w=Fe，w；對(duì)于運(yùn)營(yíng)工況，F(xiàn)z=Fn，z，F(xiàn)y=Fn，y，F(xiàn)x=Fn，x，F(xiàn)w=Fn，w。設(shè)置縱向載荷Fx在列車(chē)起動(dòng)時(shí)為正，在列車(chē)制動(dòng)時(shí)為負(fù)。

表2 基本載荷工況

3.2 附加載荷工況

附加載荷主要包括抗側(cè)滾扭桿、減振器載荷，以及空氣彈簧輔助氣室的內(nèi)壓，其組合工況為：工況1=Fa,z+Fa,b+Pa,s，工況2=Fa,t+Fa,z+a,y+Fa,b+Pa,s,工況3=-Fa,t+Fa,z-Fa,y-Fa,b+Pa,s。其中，F(xiàn)a,t為斜置減振器載荷，F(xiàn)a,z為垂向減振器載荷，F(xiàn)a,y為橫向減振器載荷，Pa,s為空氣彈簧輔助氣室內(nèi)壓(超常工況時(shí)取值為0.55 MPa，運(yùn)營(yíng)工況時(shí)取值為0.52 MPa)。

3.3 模擬超常工況

超常工況是指列車(chē)在運(yùn)用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)但出現(xiàn)概率很低的工況，對(duì)于超常工況需保證材料所受應(yīng)力不超過(guò)其屈服極限以防止發(fā)生永久變形。

本文通過(guò)對(duì)基本載荷和附加載荷進(jìn)行組合共得12種工況，表3列出了其中的6種工況。EN 13749靜強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于地鐵、輕軌等軌道交通制式，超常工況通常出現(xiàn)在列車(chē)通過(guò)曲線和道岔時(shí)。由于懸掛式單軌通過(guò)道岔的機(jī)理與傳統(tǒng)的輪軌接觸不同，故本文僅考慮列車(chē)通過(guò)曲線時(shí)的超常載荷。

3.4 模擬運(yùn)營(yíng)工況

根據(jù)EN 13749標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，運(yùn)營(yíng)工況需考慮列車(chē)通過(guò)直線、道岔以及曲線時(shí)的受力情況，考慮到懸掛式單軌的道岔通過(guò)形式與傳統(tǒng)輪軌接觸不同，所以在本文中僅對(duì)曲線和直線工況進(jìn)行考慮。通過(guò)對(duì)基本載荷和附加載荷進(jìn)行組合，本文共得到49種運(yùn)營(yíng)工況，表4中列出了其中的12種組合工況。

表3 部分超常載荷工況

表4 部分運(yùn)營(yíng)載荷工況

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，通過(guò)大型有限元計(jì)算軟件ABAQUS計(jì)算分析得，在模擬超常載荷工況下，Top面應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工況10和工況12，其最大值均為177.6 MPa；最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)的位置如圖4所示。Bottom面應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工況6和工況8，其最大值均為151.2 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)位置如圖5所示。懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架搖枕材料為Q345低合金高強(qiáng)度鋼，根據(jù)UIC 515-4規(guī)定，對(duì)于超常運(yùn)營(yíng)工況，材料許用應(yīng)力為314 MPa[1]。

在運(yùn)營(yíng)載荷工況下，Top面最大應(yīng)力值出現(xiàn)在工況44、45，其值均為164.7 MPa，其應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)位置如圖6所示。Bottom面最大應(yīng)力值出現(xiàn)在工況48、49，其值均為143.6 MPa，其應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)位置如圖 7 所示。根據(jù)UIC 515-4規(guī)定，超常運(yùn)營(yíng)工況下Q 345的許用應(yīng)力為216 MPa[1]。

a) 工況10

b) 工況12

a) 工況6

b) 工況8

a) 超常工況44

b) 超常工況45

對(duì)于超常載荷工況與運(yùn)營(yíng)載荷工況，搖枕結(jié)構(gòu)均能滿足強(qiáng)度要求。由于搖枕整體結(jié)構(gòu)沿y方向?qū)ΨQ(chēng)，在不同載荷的組合結(jié)果中需考慮對(duì)稱(chēng)加載的問(wèn)題，因此，搖枕的最大應(yīng)力出現(xiàn)位置也呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的趨勢(shì)。其應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在搖枕內(nèi)部加強(qiáng)筋與下底板的焊接位置，從搖枕整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)看這種結(jié)果是合理的。

a) 工況48

b) 工況49

4.2 疲勞強(qiáng)度分析

通過(guò)靜強(qiáng)度的分析結(jié)果可知，搖枕受力較大位置出現(xiàn)在內(nèi)部加強(qiáng)筋與下底板的焊縫處，因此，本文在疲勞強(qiáng)度分析中提取了搖枕內(nèi)部加強(qiáng)筋與上蓋板、下底板焊縫處的節(jié)點(diǎn)，采用ERRI B12/RP17報(bào)告中提出的基于疲勞裂紋拓展方向與最大主應(yīng)力方向垂直的原理進(jìn)行分析。其主要方法為計(jì)算各個(gè)工況下節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力σmax、最小應(yīng)力σmin和平均應(yīng)力σm，利用Simth形式修正的Goodman疲勞極限圖對(duì)其進(jìn)行疲勞判定[3]。

搖枕Bottom面與Top面的Goodman疲勞極限圖如圖8所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)論是搖枕的Bottom面還是Top面，其節(jié)點(diǎn)平均主應(yīng)力，以及最大和最小主應(yīng)力均落在對(duì)接焊縫的包絡(luò)線內(nèi)，因此該搖枕加強(qiáng)筋處焊縫滿足疲勞強(qiáng)度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)具有多樣性，目前我國(guó)并沒(méi)有針對(duì)懸掛式單軌制定出相關(guān)的強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。本文參照UIC 515以及EN 13749標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于輕軌、有軌電車(chē)的相關(guān)規(guī)定對(duì)懸掛式單軌搖枕進(jìn)行了強(qiáng)度分析，其靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度均滿足相關(guān)要求。但是，由于懸掛式單軌不同于傳統(tǒng)城市軌道交通制式，所以需研究、分析傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的部分?jǐn)?shù)值是否適用于懸掛式單軌，并且建立出一套適用于懸掛式單軌的強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

a) 搖枕Bottom面

b) 搖枕Top面