輕軌車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及構(gòu)架強(qiáng)度分析

彭玲陽，劉余龍，肖澤樺，黃曉青，彭愛林，吳才香

（中車株洲電力機(jī)車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲412000）

0 引言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，綜合國力的增強(qiáng)，加速了鐵路行業(yè)的發(fā)展[1]。鐵路在城市發(fā)展、物流以及通勤客流等方面扮演著越來越重要的角色，轉(zhuǎn)向架作為車輛運(yùn)行最關(guān)鍵的核心零部件，其在車輛運(yùn)行壽命、行車安全中占有極其重要的地位，而構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的骨架，是轉(zhuǎn)向架其他零部件的安裝基礎(chǔ)，承受各零部件所產(chǎn)生的載荷[2]。

周英雄等[3]通過對高速動(dòng)車組構(gòu)架的安全性進(jìn)行計(jì)算分析，已驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。陳曉峰[4]等通過對機(jī)車構(gòu)架的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度分析以評估構(gòu)架設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，為機(jī)車構(gòu)架的研制提供理論依據(jù)。

本研究以輕軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，基于分析軟件HyperMesh建立對應(yīng)的構(gòu)架三維有限元模型。根據(jù)UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)架施加靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度工況載荷約束，并有限元分析軟件把在HyperMesh中分析設(shè)置好的模型導(dǎo)入有限元分析軟件求解各工況下的載荷應(yīng)力。針對不同的載荷應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化，最終完成構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，使之滿足設(shè)計(jì)要求。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)

輕軌車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)包含“H”型構(gòu)架、一系懸掛裝置、搖枕、二系懸掛裝置、電機(jī)和齒輪箱裝置、掃石器、液壓制動(dòng)裝置、磁軌制動(dòng)裝置、輪緣潤滑裝置等組件。其中構(gòu)架側(cè)梁中部設(shè)置有凹陷區(qū)域，用于放置二系懸掛裝置，在橫梁頂部設(shè)有與車體連接的搖枕裝置，搖枕兩端置于二系懸掛裝置正上方；在每個(gè)側(cè)梁中部凹陷區(qū)域的外側(cè)面上固定連接有拉桿安裝座，且在搖枕兩端分別沿垂向向下延伸設(shè)有懸臂，在每個(gè)懸臂與其同側(cè)的拉桿安裝座之間均設(shè)有拉桿，拉桿一端安裝于拉桿安裝座、另一端與懸臂下端固定連接，由懸臂、拉桿安裝座、拉桿三者裝配連接的兩套結(jié)構(gòu)關(guān)于構(gòu)架的中心軸旋轉(zhuǎn)對稱，且旋轉(zhuǎn)角度α為180°。通過對搖枕結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及牽引點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)輕軌車輛的低位牽引效果，提高車輛運(yùn)行的粘著利用率，且不占用構(gòu)架橫梁的空間。其轉(zhuǎn)向架三維模型如圖1所示。

圖1 輕軌車轉(zhuǎn)向架三維模型

其中轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為鋼管、冷軋鋼板以及鑄件焊接而成的“H”型結(jié)構(gòu)，構(gòu)架包括側(cè)梁、垂直于側(cè)梁中間位置的橫梁。橫梁由兩根沿縱向間隔分布設(shè)置的管體等零部件組成，其中橫向止檔座組件橫跨在兩個(gè)沿縱向間隔設(shè)置的管體中間，磁軌制動(dòng)器位于管體的正下方，且磁軌制動(dòng)器的兩端分別通過過渡座組件與位于同側(cè)的兩個(gè)連接座連接。在側(cè)梁外側(cè)面上橫向伸出設(shè)有擋塊。在懸臂上沿縱向設(shè)置有水平的支撐塊，橫梁沿管體軸線方向兩側(cè)對角設(shè)置有制動(dòng)器座，液壓制動(dòng)裝置固定在構(gòu)架的制動(dòng)器座上，通過液壓驅(qū)動(dòng)對整個(gè)轉(zhuǎn)向架起到制動(dòng)效應(yīng)。其構(gòu)架三維模型如圖2所示。

圖2 輕軌車構(gòu)架三維模型

整個(gè)構(gòu)架通過焊接組成，構(gòu)架整體焊接必須滿足EN15085體系標(biāo)準(zhǔn)的要求。其材料的屈服極限和強(qiáng)度極限分別為325 MPa和510 MPa。

2 構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算

參考國際鐵路聯(lián)盟對UIC615-4《動(dòng)力車-轉(zhuǎn)向架和走行部-構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的構(gòu)架計(jì)算載荷和載荷工況實(shí)施，對輕軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了超常載荷工況和模擬運(yùn)營載荷工況的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算。基于HyperMesh處理軟件以及ANSYS軟件建立了構(gòu)架有限元分析計(jì)算模型，將構(gòu)架有限元計(jì)算模型導(dǎo)入HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及分析前處理設(shè)置，其構(gòu)架網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

2.1 超常載荷工況

超常載荷是運(yùn)用運(yùn)行過程中可能發(fā)生的最大載荷，按照UIC615-4國際標(biāo)準(zhǔn)，用于評估構(gòu)架的靜強(qiáng)度，構(gòu)架軸重按照13t計(jì)算，主要的超常載荷如下：

（1）超常垂向載荷

（2）超常橫向載荷

其中：nb為轉(zhuǎn)向架數(shù)量、mc為車體重量、c1為每個(gè)座位按每個(gè)乘客80 kg計(jì)算、mym為動(dòng)力車搖枕和回轉(zhuǎn)支承的重量、myt為非動(dòng)力車搖枕和回轉(zhuǎn)支承的重量、為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架質(zhì)量、為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架質(zhì)量

（3）其他載荷

包括軌道扭曲載荷、電機(jī)啟動(dòng)超常載荷、3 g縱向加速度沖擊載荷、短路超常載荷、緊急制動(dòng)超常載荷、振動(dòng)超常載荷等。

超常載荷中，垂向載荷、橫向載荷為基本載荷，然后分別疊加其他幾種載荷中的一種，組成超常載荷工況見表1。

表1 構(gòu)架超常載荷工況

2.2 模擬運(yùn)營載荷工況

模擬運(yùn)營載荷是模擬實(shí)際運(yùn)用中經(jīng)常發(fā)生的載荷，按照UIC615-4國際標(biāo)準(zhǔn)，用于評估構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度。主要的模擬運(yùn)營載荷如下。

（1）垂向載荷

（2）橫向載荷

（3）其他載荷

包括軌道扭曲載荷、縱向載荷、轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)振動(dòng)載荷等。模擬運(yùn)營載荷中，垂向載荷、橫向載荷為基本載荷，然后分別疊加上其他的載荷，組成模擬因牽引電機(jī)慣性引起的動(dòng)態(tài)運(yùn)營載荷工況，見表2。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)UIC615-4，主要運(yùn)營和超常工況的組合見1、表2。考慮到車體有側(cè)滾以及浮沉的影響，取車體側(cè)滾運(yùn)動(dòng)系數(shù)α=0.1，車體浮沉運(yùn)動(dòng)系數(shù)β=0.2。

表2 模擬運(yùn)營載荷工況組合表

3 計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力評定

應(yīng)力評定標(biāo)準(zhǔn)采用UIC615-4規(guī)范，將計(jì)算模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，計(jì)算構(gòu)架超常狀態(tài)的靜強(qiáng)度和模擬運(yùn)營狀態(tài)的疲勞強(qiáng)度。

3.1 超常狀態(tài)的靜強(qiáng)度評定

各超常載荷單獨(dú)及組合作用下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架任何點(diǎn)的應(yīng)力均不能超過材料的屈服極限，即工況1～3的垂向以及橫向載荷，構(gòu)架各點(diǎn)Von_Mises應(yīng)力均小于材料的屈服極限325 MPa。計(jì)算結(jié)果表明，最大應(yīng)力為192.26 MPa，出現(xiàn)在側(cè)梁上蓋板與橫梁對接圓弧區(qū)域，計(jì)算結(jié)果滿足要求。對于工況4-8的其他組合工況，構(gòu)架各點(diǎn)Von_Mises應(yīng)力均小于材料的極限強(qiáng)度325 MPa。計(jì)算結(jié)果表明，最大應(yīng)力為240.58 MPa，出現(xiàn)在一系簧座與下蓋板對接過渡圓弧處，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 模擬運(yùn)營狀態(tài)的疲勞強(qiáng)度評定

選取構(gòu)架中應(yīng)力較大各點(diǎn)，針對計(jì)算1～13的單獨(dú)及組合工況，基于最大主應(yīng)力方向簡化各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)成單軸應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算出各應(yīng)力點(diǎn)的極限應(yīng)力值σmax和σmin，按下式計(jì)算各點(diǎn)的等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力的應(yīng)力幅值。

對于工況1～13，將各節(jié)點(diǎn)的等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值結(jié)果導(dǎo)入到Good-man圖進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評估，構(gòu)架各節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評定結(jié)果見圖4所示。

圖4 構(gòu)架Goodman疲勞曲線圖

從圖中以看出，構(gòu)架上所有模型節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度均位于Goodman疲勞極限曲線內(nèi)。計(jì)算結(jié)果表明，構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)和焊縫疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，并具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

4 結(jié)論

根據(jù)UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)，利用HyperMesh劃分實(shí)體網(wǎng)格，通過分析，在超常載荷的各種單獨(dú)及組合工況下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的應(yīng)力均小于材料的屈服極限，3g沖擊載荷工況的應(yīng)力小于材料的強(qiáng)度極限，滿足靜強(qiáng)度要求，并且具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。在模擬運(yùn)用載荷作用下，通過對構(gòu)架所有節(jié)點(diǎn)的13種載荷工況的分析，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅值均不超過母材和焊縫的Goodman疲勞極限圖，滿足疲勞強(qiáng)度要求。