懸掛式單軌車輛懸吊梁強(qiáng)度分析*

馬登峰，王伯銘

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

懸掛式單軌車輛作為一種新型城市軌道交通系統(tǒng)，近年來受到越來越多的關(guān)注。懸掛式單軌交通系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的軌道交通系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向架位于高架的箱形軌道梁內(nèi)部，懸吊梁承接轉(zhuǎn)向架和車體，起到傳遞車體與轉(zhuǎn)向架之間的各向力、保持車輛平穩(wěn)運(yùn)行等作用。懸吊梁作為懸掛式單軌車輛的重要組成部分，對(duì)車輛安全運(yùn)行起到重要作用，所以需要對(duì)懸吊梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的強(qiáng)度分析。

1 懸吊梁結(jié)構(gòu)分析

懸吊梁是承接轉(zhuǎn)向架和車體的中間部件，懸吊梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。懸吊梁上方采用懸吊銷軸與轉(zhuǎn)向架連接，兩側(cè)的梁臂處設(shè)置橡膠沙漏簧，通過車體吊架承載車體以傳遞垂向力；懸吊梁中間設(shè)置開孔用來減輕自身重量，同時(shí)開孔位置設(shè)置牽引拉桿用來傳遞縱向力；橡膠沙漏簧能夠傳遞部分橫向力，當(dāng)車體發(fā)生較大幅度的橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，車體兩側(cè)設(shè)置的橫向止擋發(fā)揮作用來限制車體橫向運(yùn)動(dòng)，沙漏簧和橫向止擋共同傳遞橫向力。

1-橫向減振器；2-牽引拉桿；3-安全鋼索；4-車體吊架；5-懸吊梁；6-懸吊銷軸；7-斜向減振器；8-橡膠沙漏簧；9-橫向止擋；10-垂向減振器

懸吊梁是采用低合金鋼Q355E焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，在梁上焊接有牽引拉桿座和橫向、垂向減振器座以及斜向減振器座，配合牽引拉桿以及各種減振器實(shí)現(xiàn)車輛的安全平穩(wěn)運(yùn)行[1]。本文使用CATIA軟件建立其三維模型，接著導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行有限元處理。所有單元均采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)有限元模型中共存在單元數(shù)2 925 376個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)737 661個(gè)。

2 載荷和工況分析

本文參考EN13749、UIC615等標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合懸掛式單軌車輛運(yùn)營狀況，建立針對(duì)懸掛式單軌車輛的懸吊梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法。在計(jì)算懸掛式單軌車輛懸吊梁時(shí)，主要考慮其所受的垂向力、橫向力、縱向力、側(cè)風(fēng)以及減振器載荷等附加載荷。懸吊梁所受垂向力由車體吊架通過彈簧傳遞到兩側(cè)梁臂處；所受橫向力包括車輛經(jīng)過道岔和曲線的橫向振動(dòng)載荷以及側(cè)風(fēng)影響產(chǎn)生的橫向載荷，橫向載荷由橡膠彈簧和橫向止擋共同傳遞；縱向力包含車輛牽引和制動(dòng)工況由牽引拉桿傳遞的縱向載荷；各向減振器起到緩沖減振作用，載荷大小根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)定。

3 懸吊梁載荷工況組合

3.1 基本載荷

懸吊梁載荷工況分為超常工況和運(yùn)營工況，每種工況由基本載荷和附加載荷構(gòu)成。EN13749中存在對(duì)應(yīng)于垂向力和橫向力組合的靜態(tài)測(cè)試載荷工況，向該組合工況增加縱向力載荷，重新組合成基本載荷工況。規(guī)定列車啟動(dòng)時(shí)縱向力為正，制動(dòng)時(shí)為負(fù)。側(cè)風(fēng)產(chǎn)生橫向載荷，在計(jì)算時(shí)計(jì)入橫向力中進(jìn)行計(jì)算[2]。

3.2 附加載荷

區(qū)別于某懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架，本設(shè)計(jì)取消抗側(cè)滾扭桿，并采用橡膠沙漏簧替代空氣彈簧，所以附加載荷主要為減振器載荷。設(shè)Fk為斜向減振器載荷，F(xiàn)c為垂向減振器載荷，F(xiàn)h為橫向減振器載荷。

3.3 超常載荷工況和運(yùn)營載荷工況組合

通過組合基本載荷和附加載荷，得到12種超常載荷工況和37種運(yùn)營載荷工況。超常載荷工況通常發(fā)生在車輛經(jīng)過道岔和曲線線路時(shí)，由于軌道沖擊和曲線的離心力作用，車輛受到較大的載荷。運(yùn)營載荷工況是車輛在運(yùn)營過程中出現(xiàn)的所有可能工況，包含靜止工況以及各種線路條件下的牽引和制動(dòng)工況等。表1、表2分別為節(jié)選的部分超常載荷工況及運(yùn)營載荷工況。其中，超常工況垂向載荷為計(jì)算后結(jié)果最大值，彈簧橫向載荷為兩個(gè)彈簧共同受力。

表1 部分超常載荷工況 N

表2 部分運(yùn)營載荷工況 N

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

在超常載荷工況中，分為車輛在道岔和曲線兩種情況。工況10為車輛在曲線線路起動(dòng)，其應(yīng)力分布如圖2所示，抗側(cè)滾止擋應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為271.5 MPa。分析原因是當(dāng)車輛通過曲線線路時(shí)，懸吊梁所受橫向載荷較大，造成止擋處應(yīng)力集中。懸吊梁采用Q355E低合金鋼焊接，參考標(biāo)準(zhǔn)EN13749，選取合適的安全系數(shù)S，焊縫區(qū)域選取1.1，非焊縫區(qū)域選取1.0，超常載荷工況下的應(yīng)力條件均在材料允許范圍內(nèi)[3]。

圖2 超常工況(10)曲線起動(dòng)懸吊梁應(yīng)力分布圖

如圖3所示，運(yùn)營載荷工況下，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在工況23曲線制動(dòng)工況的懸吊梁臂彎處，應(yīng)力值為169.7 MPa。對(duì)比超常載荷工況中應(yīng)力最大的止擋座位置，運(yùn)營載荷工況應(yīng)力值得到較大改善，而懸吊梁臂彎處成為所有運(yùn)營載荷工況的最大應(yīng)力位置。其余工況下受不同垂向載荷影響，懸吊梁臂彎處應(yīng)力值分布在113 MPa～160 MPa。同樣參考標(biāo)準(zhǔn)EN13749，運(yùn)營載荷工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力值在材料允許范圍內(nèi)。

圖3 運(yùn)營工況(23)曲線制動(dòng)懸吊梁應(yīng)力分布圖

4.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

提取懸吊梁中所有的節(jié)點(diǎn)，計(jì)算各工況下所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)UIC615—4、EN13749提供的疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法，對(duì)構(gòu)架應(yīng)用基于無限壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的疲勞極限法，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，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，懸吊梁的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均落在材料的Goodman疲勞極限圖的包絡(luò)線內(nèi)，因此懸吊梁整體的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求[4]。

圖4 懸吊梁的Goodman疲勞極限圖

5 結(jié)語

懸掛式單軌車輛的研究在國內(nèi)不斷開展，但是我國還沒有針對(duì)懸掛式單軌車輛的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。本文參考UIC615、EN13749以及其他相關(guān)研究資料，對(duì)懸掛式單軌車輛懸吊梁建立載荷計(jì)算以及工況組合方法，對(duì)所設(shè)計(jì)的懸吊梁進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。根據(jù)靜載荷計(jì)算結(jié)果和疲勞強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果可得，懸吊梁的整體應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均落在包絡(luò)線內(nèi)部，結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需要。懸掛式單軌車輛區(qū)別于傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)，對(duì)于其中選取標(biāo)準(zhǔn)中的部分參數(shù)還需進(jìn)一步研究。本文對(duì)于懸吊梁強(qiáng)度的分析計(jì)算，可為相關(guān)的研究提供參考借鑒。