張徐，黃運(yùn)華，李相欣，王旭嘉，全克博

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031)

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低地板獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪動(dòng)力轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)

張徐，黃運(yùn)華，李相欣，王旭嘉，全克博

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031)

介紹了獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架在城市軌道交通中實(shí)現(xiàn)低地板的優(yōu)勢，提出了一種低地板獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)方案.并利用有限元軟件ANSYS根據(jù)UIC 615—4對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析.

低地板；獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架；靜強(qiáng)度；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

0 引言

當(dāng)今世界，城市軌道技術(shù)越來越受到各個(gè)城市的青睞.一段時(shí)期來，城市軌道交通得到了大力發(fā)展，有力地緩解了能源緊張和環(huán)境污染的問題.但是傳統(tǒng)輕軌車輛上下車?yán)щy的問題一直難以解決，為了解決這一問題，新型低地板輕軌車輛隨之出現(xiàn)[1-2]，并得到廣泛的應(yīng)用.

低地板輕軌列車的地板面距離軌面的高度一般要求在350 mm以下.獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架由于取消了中間車軸，恰恰能夠滿足降低車輛地板面的要求.其在城市軌道交通上的應(yīng)用也越來越廣泛，各種新型獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架也得到了快速發(fā)展.

1 運(yùn)用典型及其導(dǎo)向原理

獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架主要運(yùn)用在低地板車輛上，導(dǎo)向方式主要有四種：①德國西門子公司開發(fā)的Combino系列城軌車輛，其動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向方式采用縱向耦合[3].轉(zhuǎn)向架左右兩側(cè)各安裝一個(gè)電機(jī)，左右電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右側(cè)車輪.當(dāng)前、后車輪的輪軌接觸點(diǎn)處滾動(dòng)圓產(chǎn)生半徑差時(shí)，由于同側(cè)的前后兩個(gè)車輪具備相同的轉(zhuǎn)速，必然會(huì)發(fā)生輕微滑動(dòng)，從而產(chǎn)生縱向蠕滑力進(jìn)行導(dǎo)向;②法國阿爾斯通公司生產(chǎn)的Citadis系列低地板有軌電車，其Arpege動(dòng)力轉(zhuǎn)向架[4]采用橫向耦合[5]，即通過軸橋?qū)⒆笥臆囕嗰詈显谝黄穑怪邆浜蛡鹘y(tǒng)輪對(duì)相仿的導(dǎo)向能力;③Frederich教授研制的EEF轉(zhuǎn)向架[6].此轉(zhuǎn)向架為單軸轉(zhuǎn)向架，主要依靠車輪自身，一個(gè)由重力復(fù)原力和橫向蠕滑力繞輪軌接觸點(diǎn)外側(cè)的回轉(zhuǎn)中心而產(chǎn)生復(fù)原力矩，使輪對(duì)在曲線上自動(dòng)地處于徑向位置，且在直線上不會(huì)產(chǎn)生輪緣貼靠鋼軌的現(xiàn)象;④SIC和ABB聯(lián)合研制的Cobra轉(zhuǎn)向架，采用鉸接式、模塊化設(shè)計(jì)[7].轉(zhuǎn)向架采用迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使車輛具有良好的曲線通過性能.

2 轉(zhuǎn)向架總體方案設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)要求及參數(shù)

由于低地板車輛通常要求具有較強(qiáng)的小半徑曲線通過能力，而解耦后的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架在通過曲線時(shí)由于不具備縱向蠕滑力，不能使轉(zhuǎn)

圖1 轉(zhuǎn)向架總體三維模型

向架以貼近徑向位置的狀態(tài)通過曲線，因此在本次設(shè)計(jì)中加入了迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)向架在通過曲線時(shí)，依靠車體與轉(zhuǎn)向架之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)工作，使前后輪對(duì)以接近徑向位置的狀態(tài)通過曲線.此次設(shè)計(jì)的低地板動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的主要參數(shù)[8-9]如下：軌距1 435 mm，軸距1 800 mm，地板面高度300 mm，軸重10 t，自重6 t，運(yùn)行速度80 km/h，輪徑660 mm，最小曲線半徑30 m，最小豎曲線半徑1 200 m.轉(zhuǎn)向架總體模型如圖1.

2.2 基本結(jié)構(gòu)

構(gòu)架為焊接箱形結(jié)構(gòu)，消除了轉(zhuǎn)向架的菱形變形，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)架的輕量化要求.構(gòu)架采用內(nèi)側(cè)式懸掛構(gòu)架(構(gòu)架安裝在輪對(duì)內(nèi)側(cè))，相對(duì)于外側(cè)式懸掛構(gòu)架，內(nèi)側(cè)式懸掛構(gòu)架的重量較輕，結(jié)構(gòu)更加緊湊，可節(jié)省安裝空間.

輪對(duì)采用小直徑彈性車輪，降低了簧下質(zhì)量，改善了輪軌間作用力.橫向采用“下凹”式軸橋進(jìn)行定位，當(dāng)通過曲線時(shí)，左右車輪可按不同轉(zhuǎn)速通過半徑不同的內(nèi)外軌，來減輕輪軌間的沖擊和磨耗.軸箱采用疊層圓錐橡膠定位，疊層圓錐橡膠具有三向彈性特性.在垂直載荷作用下，橡膠主要受剪切變形.

二系懸掛裝置采用空氣彈簧，具有非線性特性，可以根據(jù)車輛振動(dòng)性能的需要，設(shè)計(jì)成具有比較理想的彈性特性曲線.和高度控制閥并用時(shí)，保持車輛地板面距離軌面的高度不變.

橫向減振器采用液體粘滯阻力所做的負(fù)功來吸收振動(dòng)產(chǎn)生的能量的油壓減振器.牽引拉桿使用單拉桿機(jī)構(gòu)，將牽引拉桿的牽引座設(shè)在轉(zhuǎn)向架橫梁的中間位置，一端連接在車體的安裝座上，在轉(zhuǎn)向架和車體有效地傳遞牽引力和制動(dòng)力.

迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)組成，分別安裝于轉(zhuǎn)向架兩側(cè).迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)利用車輛通過曲線時(shí)轉(zhuǎn)向架相對(duì)車體所作的搖頭角位移，迫使輪對(duì)處于徑向位置.

轉(zhuǎn)向架在構(gòu)架外側(cè)設(shè)有2套牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，包括牽引電動(dòng)機(jī)、齒輪箱以及聯(lián)軸節(jié).牽引電動(dòng)機(jī)通過彈性懸掛節(jié)點(diǎn)完全吊掛在構(gòu)架上.而齒輪箱一端與車軸壓裝在一起，另一端通過聯(lián)軸節(jié)與牽引電動(dòng)機(jī)相連，其上也通過彈性懸掛節(jié)點(diǎn)與構(gòu)架上的吊座相連.

3 構(gòu)架靜強(qiáng)度分析

3.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

本節(jié)將根據(jù)UIC615—4《轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)》對(duì)低地板動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度評(píng)定.限于篇幅，本文僅對(duì)超常載荷工況和模擬主要運(yùn)營載荷工況下的靜強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行討論.構(gòu)架的材料為Q345E,側(cè)梁上下蓋板的厚度為12 mm，腹板的厚度為10 mm，加強(qiáng)筋的厚度為8 mm，空簧座處的小箱型結(jié)構(gòu)的上下板厚為8 mm，腹板厚度為6 mm.

3.2 邊界條件

邊界條件是為了保證構(gòu)架結(jié)構(gòu)的靜定，此處，根據(jù)構(gòu)架的實(shí)際情況，用彈簧單元Combin14代表轉(zhuǎn)向架的一系彈簧，使彈簧單元一端與構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)相連，另一端使用全約束進(jìn)行固定.Solid45和Combin14兩種單元類型對(duì)應(yīng)的單元數(shù)分別為213 730和240.彈簧單元的各個(gè)方向的剛度如下：一系懸掛垂向剛度為1 000 N/mm，一系懸掛橫向剛度和一系懸掛縱向剛度均為3 000 N/mm.

3.3 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

構(gòu)架在超常載荷工況和模擬運(yùn)營載荷工況[10]下的最大von_Mises應(yīng)力見表1，在超常載荷2(最大超常載荷工況)和模擬運(yùn)營工況13(最大運(yùn)營載荷工況)下，構(gòu)架的von_Mises應(yīng)力分布如圖2所示.

表1 超常載荷工況的最大應(yīng)力點(diǎn)和出現(xiàn)位置

表1 超常載荷工況的最大應(yīng)力點(diǎn)和出現(xiàn)位置(續(xù)表)

(a)超常載荷工況2 (b)模擬運(yùn)營載荷工況13

構(gòu)架在超常載荷工況下最大von_Mises應(yīng)力小于345 MPa，在模擬運(yùn)營工況下最大von_Mises應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力240 MPa.焊接構(gòu)架的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)低地板獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，分析轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過有限元仿真軟件ANSYS計(jì)算各工況下的應(yīng)力.構(gòu)架的靜強(qiáng)度雖然滿足要求，但是最大von_Mises應(yīng)力出現(xiàn)在小箱型的下蓋板的內(nèi)側(cè)圓角上或位于構(gòu)架上蓋板與小箱型下蓋板的連接處，說明結(jié)構(gòu)在內(nèi)側(cè)圓角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，不利于延長構(gòu)架的使用壽命，需進(jìn)一步完善構(gòu)架的結(jié)構(gòu)，可以在構(gòu)架和小箱型結(jié)構(gòu)處施加加強(qiáng)桿，來減少最大應(yīng)力值.

[1]HONDIUSH.The Development of Low Floor Trams[J].Joumal of Advanced Transportation,1993，27(1)：79-102.

[2]HARRY HONDIUS.LRV orders progress,but trams stall [R].Sutton UK:Railway Gazette International,2003.

[3]許明春,曾京.縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向機(jī)理[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2011,11:43-50.

[4]王歡,戴煥云,池茂儒.國外100%低地板輕軌車動(dòng)力轉(zhuǎn)向架縱覽[J].內(nèi)燃機(jī)車,2007,12:1-6.

[5]任利惠.獨(dú)立車輪導(dǎo)向技術(shù)研究[D]. 上海:同濟(jì)大學(xué),2006.

[6]FREDERICH F.A bogie concept for the 1990s[J].Railway Gazette international，1988(9):583-585.

[7]HARRY HONDIUS.Low-floor development out of control[J].Railway Gazette international，1991(11):793-799.

[8]王忠杰,尹力明.“六軸五車體”100%低地板輕軌車輛技術(shù)方案[J].上海電氣技術(shù),2011,12:4--52.

[9]金偉,鐘敏,門永林.準(zhǔn)100%低地板車輛轉(zhuǎn)向架方案設(shè)計(jì)[J].鐵道車輛,2012(1):9-14.

[10]米彩盈.鐵道機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[M].成都:西南交大出版社,2007.

Research on a Low-Floor Power Bogie Design with Independent Rotating Wheels

ZHANG Xu，HUANG Yunhua，LI Xiangxin，WANG Xujia，QUAN Kebo

(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Due to that bogie with independent rotating wheels has an advantage of realizing lower distance of the floor and the rail in urban rail transport,a program of designing the low-floor power bogie with independent rotating wheels is proposed.According to the standards of UIC615—4,static strength of the bogie frame is analyzed with analysis software ANSYS.

low-floor;independent wheel bogie;static strength;bogie frame

1673-9590(2015)03-0018-04

2014-07-24

張徐(1990-),男，碩士研究生，主要從事車輛工程的研究E-mail:1069938484@qq.com.

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