輕軌車輛鉸接裝置強度分析

劉 凱，朱 戡，劉 洋，沈旭奎，張小龍

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團有限公司 技術(shù)研究院，北京 100160）

1 輕軌車輛的鉸接裝置

1.1 車輛編組

輕軌車輛由兩節(jié)車體、三臺轉(zhuǎn)向架組成一個基本單元。鉸接裝置連接兩節(jié)車體和中間的轉(zhuǎn)向架，如圖1 所示。

車輛編組方式如下所示：

其中1 車和2 車為兩節(jié)車體；+為半自動車鉤；—為鉸接裝置。

1.2 鉸接裝置作用

輕軌車輛的車體與轉(zhuǎn)向架的連接需要實現(xiàn)兩車體與同一個轉(zhuǎn)向架連接的功能，鉸接裝置屬于車體與轉(zhuǎn)向架連接的一部分，一方面要保證相鄰兩車體端部彼此相互連接，來傳遞車體間的縱向力、橫向力和垂向力，另一方面又要保證相鄰車體間能夠進行相互水平轉(zhuǎn)動、豎直轉(zhuǎn)動和側(cè)向滾動。

2 鉸接裝置的載荷分析

2.1 靜強度載荷分析

根據(jù)EN12663 和VDV152 標準中的要求，列舉在車輛運行過程中所有可能出現(xiàn)的極限工況計算，挑選出了最惡劣的4 個垂向載荷工況，5 個橫向載荷工況，8 個縱向載荷工況，并組合出了27 個有可能出現(xiàn)極限復合載荷工況。根據(jù)列舉的不同工況下的應力表，得到最大應力的工況，分別如下面列舉4 種工況所示。

圖1 列車編組圖

（1）縱向載荷

根據(jù)車輛的總體技術(shù)條件，車體的縱向壓縮載荷為500kN，縱向拉伸載荷為400kN。

（2）垂向載荷

其中FZB為1 車作用在鉸接裝置上的垂向力，F(xiàn)ZA為2 車作用在鉸接裝置上的垂向力，F(xiàn)ZP為鉸接裝置下中心銷所承受的垂向力。mA-AW3為2 車在AW3 工況下的質(zhì)量，mB為1 車在AW0 工況下的質(zhì)量。

（3）橫向載荷

其中FYB為1 車作用在鉸接裝置上的橫向力，F(xiàn)YA為2 車作用在鉸接裝置上的橫向力，F(xiàn)YP為鉸接裝置下中心銷所承受的橫向力。mB-AW3為1 車在AW3 工況下的質(zhì)量，mA為2 車在AW0 工況下的質(zhì)量。ay為鉸接裝置處極限工況下的橫向加速度，p 為鉸接裝置處有效支撐車輛重量的比例，ω 為鉸接裝置中心處的旋轉(zhuǎn)加速度，Jz 為繞垂向軸的旋轉(zhuǎn)慣性，l 為鉸接裝置連接處到轉(zhuǎn)向架中心的距離。

（4）復合工況載荷

其中mt為非動力轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量，ax為該工況下的加速度。

2.2 疲勞載荷分析

根據(jù)EN12663 和VDV152 標準中的要求，列舉在車輛運行過程中所有可能出現(xiàn)的疲勞工況計算，挑選出了最惡劣的8 個垂向載荷工況，2 個橫向載荷工況，2 個縱向載荷工況，并組合出了32 個有可能出現(xiàn)極限復合載荷工況。根據(jù)列舉的不同工況下的應力表，得到最大應力的工況，分別如下面列舉4 種工況所示。

（1）縱向載荷

其中F 為列車牽引力。

（2）垂向載荷

（3）橫向載荷

（4）復合工況載荷

2.3 評定標準

根據(jù)EN12663-2000《鐵道應用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定，對鉸接裝置材料的靜強度和疲勞強度與鉸接裝置在不同工況下的設計應力進行比較，得到安全系數(shù)。

（1）靜強度

在靜載荷情況下，允許應力與計算應力的比值應大于等于S1。

其中Rp0.2 為鉸接裝置所用材料的屈服極限，σ 為鉸接裝置的設計應力，S1為安全系數(shù)，標準規(guī)定S1=1.15。

（2）疲勞強度

根據(jù)材料的S-N 曲線，找到疲勞損傷次數(shù)對應的應力值，與設計應力進行比較。

3 鉸接裝置強度計算

3.1 載荷工況

鉸接裝置連接兩個車輛，由于在本次計算中將軸承座與車體相連的位置進行了約束，因此對于軸承座將在軸承安裝位置進行加載。支撐座受到的外部力為車體的力、磨耗板的支持力、中心銷的力和軸承力，同樣的本次計算中將支撐座與車體相連的位置進行了約束，因此對于支撐座將在軸承安裝位置、磨耗板安裝位置和中心銷安裝位置進行加載。

載荷工況與載荷大小如表1、表2 所示。

表1 靜強度載荷要求

表2 疲勞載荷要求

3.2 材料屬性

鉸接裝置中的軸承座和支撐座的材料為30CrNiMo8，其屈服極限Rp0.2=700MPa，疲勞強度σ=622MPa（循環(huán)次數(shù) N=1000000 次）。

3.3 計算結(jié)果及分析

表3 靜強度計算結(jié)果

表4 疲勞強度計算結(jié)果

4 結(jié)論

根據(jù)輕軌車輛的技術(shù)條件和工況要求，受力分析后得到在不同工況下的受理條件，得到鉸接裝置各工況下的極限載荷和疲勞載荷。然后根據(jù)EN12663 規(guī)范校核了鉸接裝置的靜強度和疲勞強度。所使用的方法適應于同類的輕軌車輛鉸接裝置的強度計算。

圖2 復合工況下的靜強度計算應力云圖