城軌地鐵用車軸強度計算分析

2021-04-14 07:41:36杜松林張明如

安徽冶金科技職業學院學報 2021年1期

童樂，丁毅，杜松林，張明如，趙海，戴俊

(1.馬鋼(集團)控股有限公司安徽馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司軌道交通關鍵零部件先進制造技術國家地方聯合工程研究中心安徽馬鞍山 243000)

隨著城市規模的快速發展，城軌地鐵已然成為城市軌道交通必不可少的交通方式，城軌地鐵的行車安全性也隨之備受人們關注。因為車軸是城軌地鐵車輛轉向架的主要承重零部件，所以車軸強度與城軌地鐵的安全性和效率息息相關。城軌地鐵運行線路較復雜，導致車軸的運行工況、受力情況同樣多變，在承載車輛簧上重量的同時，牽引力、制動力以及來自線路的沖擊載荷和通過曲線時橫向作用于輪緣的導向力也是車軸需要承受的主要載荷。所以，為確保該城軌地鐵用車軸在運用過程中的安全可靠性，在設計階段有必要對該車軸開展計算分析并進行強度可靠性評估。

目前，國內外常用的軌道交通車輛動力、非動力車軸的強度計算方法是參照歐洲標準EN13103/EN13104中規定的內容進行分析，該標準給出了相應的材料力學分析方法用于車軸的強度計算，本文作者參照該方法針對某城軌地鐵用車軸進行了分析，通過強度計算判斷車軸軸型的適用性。

1 車軸受力分析模型

該城軌地鐵用車軸是非動力車軸，軸型如圖1所示。對于這種常規的非動力車軸，車軸的受力分析模型的載荷僅考慮簧上、簧下質量載荷和制動載荷這2種情況，這是因為基于以往豐富的計算經驗可以發現，相對于制動，由牽引力引起的車輛負載很小，同時，車輛的制動工況和牽引工況不可能同時出現，因此一般情況車軸強度計算不考慮牽引力的影響。

圖1 車軸設計圖紙

1.1 簧上簧下質量載荷

簧上簧下質量載荷主要包括：每條輪對軸頸上的所承受的車輛重量，其中包括了軸承和軸箱的重量；輪對本身的重量以及該輪對兩車輪滾動圓之間的重量，比如制動盤等。

根據車軸所受到的簧上簧下質量載荷，對其進行受力分析，如圖2。

圖2 車軸受力分析

(各質量載荷所代表的含義(略),相關計算公式參照歐洲標準EN13103。

針對該城軌地鐵車軸進行上述受力分析后，該城軌地鐵在通常運行情況下所產生的彎曲力矩便可直接得出，該力矩的方向與z 軸平行，由圖3 所示。然而，由于車軸各部位復雜的受力情況，該力矩主要分2種情況討論：

載荷面與滾動圓之間；

兩滾動圓之間。

圖3 運動中由質量引起的力矩的定義

1.2 制動載荷

該城軌地鐵車軸制動方式為制動盤制動，且兩制動盤安裝在車軸上，因此需要分別計算由制動產生的橫截面力矩，由

'、

'這3個分量表達：1)彎曲力矩

'，該力矩是由z與軸平行的垂直力產生；2)彎曲力矩

'，該力矩是由與x軸平行的垂直力產生；3)扭矩M'，沿軸中心線 (軸) ，由施加再車輪上的切向力引起。

城軌地鐵車軸的計算截面的位置不同所對應的計算公式不同，這3個力矩分量同樣分2種情況討論。其中，車輪與閘瓦間或制動盤與閘片間的平均摩擦系數和制動盤閘片界面上的最大壓力需要考慮進去。

載荷面與滾動圓之間；

滾動面和制動盤之間。

2 車軸各截面應力分析

對該城軌地鐵車軸進行受力分析并確定了其所受載荷之后，選擇車軸需要進行強度分析的截面和位置，具體見圖4，主要包括：1)軸頸-防塵座圓弧底部；2)防塵座-輪座圓弧底部；3)輪座；4)輪座與剎車盤座圓弧底部1；5)輪座與剎車盤座圓弧底部2；6)剎車盤座；7)剎車盤座與軸身圓弧底部。

2.1 抗彎模量

上述所選取的各個車軸截面的抗彎模量參照下式計算：

式中：

為對應車軸計算截面的直徑。

圖4 選取的截面

2.2 合力矩

每一截面用合成力矩計算最大應力：

其中，

，

為運行中車軸負載和制動引起的各分量之和。

2.3 疲勞應力集中系數

標準EN13103給出了疲勞應力集中系數相關規定，以此可以通過計算確定該城軌地鐵車軸不同截面處所對應的應力集中系數。通常，車軸圓柱部位的表面以及空心車軸的內孔表面的應力集中系數K值確定為1，而該城軌地鐵車軸在兩相鄰截面直徑改變處(例如軸頸-防塵座圓弧底部)應力會增大，因此最大應力一般位于以下2處，計算方法參照標準EN13103具體規定：

兩個相互鄰近的不同直徑圓柱過渡部分的底部，如圖5a，此處應力集中系數與過渡處的圓弧半徑、過渡處的圓柱半徑等參數密切相關；

溝槽底部，如圖5b，此處應力集中系數與溝槽底部的圓弧半徑、溝槽底部的的圓柱半徑等參數密切相關。