新型懸掛式單軌車輛轉向架構架強度分析*

陳 陽，王伯銘

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

日常生活中所見到的大多數軌道車輛都是行駛在路面上，或者說傳統軌道交通系統的轉向架一般都在車體下方。懸掛式軌道系統與傳統軌道交通不同：它的車體在轉向架的下方，轉向架被下方開口的軌道梁包住，然后以高架或者其他形式架在空中。這樣軌道車輛就不再行駛在大地上而是空中。采用懸掛式單軌系統不僅節約了大量的土地資源，為城市規劃發展提供了空間，同時由于行駛在空中，不會出現與地面車輛發生碰撞或者搶占路權的情況，符合中小城市的發展需要[1]。但是大多數懸掛式單軌車輛與傳統轉向架的驅動方式類似：轉向架上的電動機獲得電能后，電動機輸出軸一端連接齒輪箱，之后再靠齒輪箱將扭矩傳遞到車軸上。這種傳遞形式傳動效率不高，同時由于電機以及齒輪箱體積和質量都特別大，這使得轉向架構架變得更加笨重，增加了制造成本以及維修保養難度。直驅電機懸掛式轉向架由于采用了直驅電機，免去了繁瑣的傳動裝置，減少了整個轉向架質量，同時縮小了體積，有利于減小轉向架軸距，提高轉向架的曲線通過能力。本文對這種新型轉向架進行了構架強度以及疲勞分析，為該新型懸掛式軌道交通投入運營打下了堅實的基礎。

1 轉向架構架

新型直驅電機懸掛式轉向架以兩根縱梁以及一根橫梁為主要結構，安裝完成后整個構架近似于一個“H”型；直驅電機安裝在縱梁兩側，通過拉桿以及一系懸掛分別與橫梁和縱梁相連接。在直驅電機上同時安裝有牽引拉桿以及定位拉桿，通過這些拉桿來傳遞牽引力以及制動力等，同時電機的兩端還安裝有一系懸掛，通過它來傳遞和吸收運行中由于軌道不平順以及其他因素產生的激勵；同時由于使用了橡膠輪胎，使得爬坡能力得到了提升，但喪失了導向功能，因此還需要在轉向架上安裝導向輪來幫助轉向架通過曲線。懸吊梁通過懸吊銷與轉向架相連，車體與車體吊架相連，車體吊架通過空氣彈簧壓在懸吊梁上。轉向架總體結構如圖1所示。轉向架構架由薄板以及鍛鋼構成，橫梁整體由薄板搭接，縱梁則直接鍛造而成。整體呈“H”型結構，構架為對稱結構，如圖2所示。

1-走行輪;2-導向輪;3-懸吊裝置 4-縱梁;5-橫粱;6-牽引拉桿座圖1 轉向架總體結構 圖2 轉向架構架

2 構架強度分析

2.1 載荷表計算

2.1.1 構架超常載荷

由于懸掛式單軌車輛結構形式較為特殊，現可查文獻中尚未有具體針對懸掛式單軌車輛構架的強度試驗標準。DIN EN13749:2011《鐵路應用—輪對與轉向架—轉向架構架結構要求的規定方法》[1]簡稱EN標準，EN標準中的B-Ⅳ類為輕軌車輛和有軌電車，這

兩類車的運行方式與懸掛式轉向架類似，因此本文將參考EN的B-Ⅳ類轉向架的設計方法來對本文的轉向架進行強度分析。

首先建立超常載荷工況表，如表1所示。

表1 部分超常載荷工況 N

2.1.2 構架正常運營載荷

正常運行載荷是在懸掛式軌道車輛正常運行時所受到的各種載荷工況的疊加，表2為正常載荷工況的載荷表。

表2 部分正常載荷工況

2.2 模型處理

首先使用SolidWorks進行構架的模型搭建，之后再生成對應stp文件，接著將模型導入Hypermesh中進行網格劃分以及各種載荷的添加，網格采用四面體網格，賦值為Solid185。最后構架共離散為1 836 040個單元、433 177個節點。所用材料為Q345，材料屬性見表3。

表3 材料屬性

在Hypermesh中完成前處理后，模型如圖3所示，其中為了簡便運算，轉向架構架的縱梁運用Hypermesh中的Beam進行模擬，走行輪以及橡膠輪等均采用Spring來進行模擬，之后將模型導入ANSYS進行計算。

圖3 構架有限元模型

2.3 結果處理

對ANSYS結果進行分析，無論是超常載荷工況還是正常載荷工況中，較大應力均位于橫梁下半部彎曲處以及橫梁前后定位拉桿座處，其中超常載荷為工況2，應力大小為305.001 MPa(見圖4)；正常載荷為工況18，應力大小為121.773 MPa。當轉向架通過曲線時，由于在側擋處施加了一個較大的力，止擋力對轉向架構架產生了一個較大的力矩，使得在橫梁下半部彎曲處以及橫梁前后定位拉桿座處產生較大的應力。

圖4 超常載荷工況2應力圖

參考標準EN13749，選取合適的安全系數S，焊縫區域選取1.1，非焊縫區域選取1.0，對于超常載荷工況，應力條件均在材料允許范圍內[2]。

3 疲勞壽命

采用MATLAB軟件編程，通過比較得到節點所有工況下的最大主應力值，將節點在其他載荷工況下的主應力投影至最大主應力方向，并比較得到節點的最小主應力，通過計算得到平均應力σm[3]。通過繪制云圖來得到構架節點在Goodman疲勞極限圖中的分布，如圖5所示。

由圖5可以看出所有的應力點均落在Goodman曲線的包絡線內，沒有出現超出的應力點，因此疲勞驗算合格。

圖5 疲勞極限圖

4 結束語

目前懸掛式單軌車輛在我國的熱度逐年提高，各式各樣的轉向架相繼出現，對于這樣一種新型的軌道交通，我國并沒有相關的強度計算標準[4]。本文根據EN13749中對于輕軌車輛的計算標準，對這種新型懸掛式單軌轉向架進行了強度以及疲勞分析，其總體滿足設計要求；但是由于該結構與傳統轉向架的結構有較大的區別，因此使用的參數還有待于進一步研究。本文的研究對于今后相似轉向架的研究計算具有參考價值。