一種低地板有軌電車軸橋結構設計和強度分析

劉暉霞,劉 寧,汪彥宏

1.中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001

2.大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室,湖南 株洲 412001

0 引言

為適應較低的地板面高度,方便乘客出行,滿足項目要求,某出口的低地板有軌電車需要采用軸橋來降低地板面高度。軸橋作為關鍵承載部件,其結構是否合理直接影響有軌電車的是否安全運行。基于此,本文設計了一款結構優良的軸橋,并驗證其結構的合理性。傳統車軸一般通過彎矩合成方法進行受力計算校核,但軸橋承受載荷更復雜,傳統車軸的受力計算方法并不適用于軸橋,迄今為止也沒有關于軸橋受力計算的標準。因此,為驗證所設計的軸橋結構強度是否滿足要求,本文根據軸橋的實際使用情況,找到適合軸橋受力分析的方法,并應用于軸橋的靜強度和疲勞強度評定。

1 軸橋的結構設計

軸橋為U型結構,徑向為非對稱結構。軸橋的基本結構包括軸頸、一系簧安裝座、軸頭、軸身這4個部位[1]。考慮成本及現有工藝水平的進步,本文設計的軸橋采用整體鑄造,在進口鍛造軸橋的基礎上進行了國產化設計,并根據鑄造的工藝特點進行了適應性設計。軸橋結構設計如下。

1)將兩側軸頸設計為2個直徑不同的大、小圓柱面,中間通過錐面過渡,大、小直徑軸頸分別用于安裝大、小圓錐滾子軸承,并在不同直徑軸頸之間設計了卸荷槽,以滿足設計及加工需求。同時,根據實際需求,在軸端設計了螺紋,用于彈性車輪及軸承的軸向限位;由于接地需求,軸頸中心還設計了通孔用于接地線纜的安裝。

2)兩側軸頭為梯形復合結構,于一系簧座之間設置了大圓弧,以減少應力集中,滿足強度及工藝要求。在軸頭的頂部和一系簧座的邊上預留了螺紋接口,用于其他附屬設備的安裝。

3)為保證軸身的可靠性,軸身設計為小角度梯形截面,與軸頭及一系簧座通過大圓弧過渡,以減小應力集中,滿足使用要求。

設計的整體鑄造軸橋如圖1所示,采用性能較優的G26CrMo4材質,符合 EN 10293的相關要求,性能參數如表1所示。

表1 材料參數

1—軸頸;2—一系簧安裝座;3—軸身;4—軸頭。

2 軸橋載荷計算

軸橋強度計算的主要輸入參數如表2所示。

表2 計算參數

由于軸橋的一系彈簧安裝座位于軸頸內側,在一系簧上載荷P1和P2的作用下,軸橋產生如圖2所示的彎曲變形,而向外側的輪軌橫向力(圖2中所示方向的Y1和Y2)會進一步加大彎曲變形,軸橋承受更大的應力。傳統軸箱內置式車軸也是如此,因此BS 8535標準車軸計算中也采用了向外側的輪軌橫向力。

圖2 軸橋彎曲變形示意

輪軌橫向力如圖3所示。列車動力學仿真及試驗提取的輪軌力數據證實了存在2個車輪輪軌橫向力向外的情況,如圖3中第2.25秒。

圖3 輪軌橫向力

軸橋承受的載荷分為超常載荷工況和運行載荷工況(疲勞載荷)。軸橋所承受的垂向和橫向載荷可簡化成圖4中的符號(其中P、Q、Y、H、s、b、h的定義可參考EN 13103-1、BS 8535等)。

圖4 軸橋載荷示意

2.1 超常載荷

2.1.1 超常垂向載荷和橫向載荷

參照BS 8535標準,超常載荷考慮垂向1.6g動載,橫向力考慮向外的輪軌力橫向Y1、Y2,故根據圖4,P1、P2、Y1、Y2和H可按照下述公式進行計算。

P1=[0.8+0.0375(h1+h2)/b]m1g

P2=[0.8-0.0375(h1+h2)/b]m1g

橫向力為：

Y1=0.135m1g=15 792 N

Y2=0.21m1g=24 565 N

H=Y2-Y1=0.075m1g=8 773 N

其中,左軸頸的垂向載荷為：

右軸頸的垂向載荷為：

2.1.2 超常縱向載荷

軸橋所承受的縱向載荷為制動力和牽引力,由于緊急制動工況下的制動力大于啟動牽引力,常用制動力大于牽引力,因此,本文軸橋所受縱向載荷直接按制動力處理。

縱向力考慮AW3載荷時的緊急制動力,軸橋每側軸頸受力為：

Fx1,max=Fx2,max=(24 000+7 500)/2=15 750 N

2.2 運行載荷

對于傳統車軸,主要承受旋轉彎曲疲勞載荷。旋轉彎曲車軸應力狀態如圖5所示,軸上A點在某一時刻承受拉應力,載荷不變的情況下,車軸旋轉180°后,A點變為承受壓應力,應力比(R)為-1,平均應力(σm)為0,因此傳統旋轉彎曲的車軸只需考慮制動工況就可以評價疲勞。

圖5 旋轉彎曲車軸應力狀態

軸橋為非旋轉承載,大多部位應力比(R)不為-1,平均應力σm可能出現大于0的情況。根據Haigh疲勞曲線,當平均應力為正值時,許用應力幅會減小(見圖6),因此既要考慮使軸橋承受更大應力的增載工況,也要考慮減載使應力變小的工況。為充分評判軸橋的疲勞強度,結合車輛在直線工況和通過曲線時的受力情況,設計了以下疲勞載荷及工況組合。

圖6 Haigh疲勞曲線

2.2.1 運行工況垂向載荷和橫向載荷

參考BS 8535、EN 13103-1等標準,確定運行工況的垂向載荷和橫向載荷。

1)直線工況1。軸橋不受橫向力,考慮軸橋垂向增載0.6g,則：

P1=P2=(1+0.6)m1g/2=0.8m1g

2)直線工況2。軸橋不受橫向力,考慮軸橋垂向減載0.6g,則：

P1=P2=(1-0.6)m1g/2=0.2m1g

3)曲線工況1。考慮軸橋垂向增載0.125g,且橫向力向外,參考BS 8535、EN 13103-1標準,P1、P2、Y1、Y2和H可按照下述公式進行計算：

P1=[0.562 5+0.037 5(h1+h2)/b]m1g

P2=[0.562 5-0.037 5(h1+h2)/b]m1g

Y1=0.135m1g

Y2=0.21m1g

H=Y2-Y1=0.075m1g

4)曲線工況2。考慮軸橋垂向減載0.125g,且橫向力向內,則：

P1=[0.437 5+0.087 5(h1+h2)/b]m1g

P2=[0.437 5-0.087 5(h1+h2)/b]m1g

Y1=-0.35m1g

Y2=-0.175m1g

H=Y2-Y1=0.175m1g

代入車輛的相關參數,按照上述Q1、Q2的計算公式,可得出不同運行工況下垂向載荷和橫向載荷如表3所示。

4）長沙雷暴日空間分布為兩頭多、中間少。地處長沙東部的瀏陽年均雷暴日數最多，為50.2 d；中部偏西地區的馬坡嶺最少，為36.4 d。

表3 疲勞工況下垂向和橫向載荷 單位：N

2.2.2 運行工況縱向載荷

運行縱向力考慮AW3載荷時的常用制動力,軸橋每側軸頸受力為：

Fx1=Fx2=43 500/4=10 875 N

2.3 載荷工況

1)靜強度。參考標準中的工況組合方法,將2.1節的超常載荷組合成2個超常載荷工況,用來評判軸橋的靜強度。

2)疲勞強度。主要根據車輛在直線運行、曲線運行時,采用不同的動荷系數得出的運行載荷,并考慮不同方向的縱向力組合成8個疲勞載荷工況,用來評判軸橋的疲勞強度。

各工況下左右軸頸各載荷的數值如表4所示。

表4 工況組合

3 軸橋強度分析

利用ANSYS軟件對設計的軸橋進行強度分析。模型采用帶中間節點的六面體和四面體實體單元,包括745 403個節點和422 328個單元。計算模型網格離散圖見圖7。為模擬軸橋受力方式,所有載荷均以遠端力的形式施加在軸橋兩側的軸頸上,軸橋上的一系簧座處施加彈性支撐約束。

圖7 軸橋有限元模型網格離散圖

3.1 靜強度分析

根據材料力學第四強度理論對軸橋結構進行靜強度評估[2]。在超常載荷工況下,軸橋靜強度滿足設計和運行的條件為：最大vonMises應力不大于屈服強度,即σmax≤[σ]。根據表1可知,取軸橋材料試樣的屈服強度Rp,N為550 MPa。考慮鑄造因素、失效后果等,取安全系數S為1.7,則：[σ]=Rp,N/S=323.5 MPa。

軸橋在超常載荷工況下的vonMises應力云圖見圖8和圖9,最大vonMises應力值分別為：232.03 MPa,221.76 MPa,最大應力值分別出現在軸身上表面和下表面靠近邊緣處。軸橋在超常載荷工況下的最大vonMises應力均未超過許用應力323.5 MPa,軸橋的靜強度滿足要求。

圖8 超常載荷工況1下軸橋vonMises應力云圖

圖9 超常載荷工況2下軸橋vonMises應力云圖

3.2 疲勞強度分析

采用Goodman疲勞極限圖法進行軸橋疲勞強度評估[3]。其中軸橋材料試樣的屈服強度和抗拉強度據表1取最小值。對稱循環疲勞極限按FKM計算：σ-1N=0.34×Rm=0.34×700=238 MPa,該值小于實際材料的小樣疲勞極限試驗值。考慮軸橋的尺寸、表面粗糙度、鑄造因素、失效后果等,取安全系數為1.7,則軸橋零件的屈服強度Rp=Rp,N/S=323.5 MPa,Rm=Rm,N/S=411.8 MPa,σ-1=σ-1N/S=140 MPa。

根據表4所考慮的疲勞載荷工況,確定每個節點在不同載荷工況作用下的最大主應力、最小主應力值,然后按下式計算平均應力(σm)和應力幅(σa)。

σm=(σmax+σmin)/2

σa=(σmax-σmin)/2

將σm作為橫坐標,σa作為縱坐標,將每個節點的應力匯入Haigh形式的Goodman曲線圖中,進行軸橋結構疲勞強度評定,所有點均落入Goodman曲線界限中,則軸橋疲勞強度滿足設計和運行要求。如圖10所示,將所有工況各節點的σm和σa繪入Goodman疲勞曲線,各節點應力均落在疲勞曲線內,因此軸橋疲勞強度滿足要求。

圖10 軸橋Goodman疲勞曲線圖

4 結束語

本文設計了一種低地板有軌電車整體鑄造軸橋產品,并參考BS8535、EN 13103-1等標準,對超常載荷和運行載荷下的軸橋進行受力計算,并利用ANSYS軟件對設計的軸橋進行了靜強度和疲勞強度分析,分析結果滿足設計和使用要求。通過綜合傳統內置車軸設計計算標準且考慮軸橋受力的實際情況,研究得到的軸橋受力計算方法對同類產品的設計有一定的參考價值。