方翁武 王起梁 宮 峰

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

整體鍛造式低地板車輛軸橋有限元分析

方翁武 王起梁 宮 峰

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

軸橋作為低地板有軌電車連接獨立輪對的關(guān)鍵部件，其靜強度和疲勞強度直接關(guān)系到整車可靠性和安全性，因此有必要對軸橋結(jié)構(gòu)強度進行深入研究，采用有限元方法對整體鍛造式軸橋進行計算分析，結(jié)果表明，軸橋結(jié)構(gòu)可以滿足極限工況靜強度要求和正常工況疲勞強度要求。

低地板車輛；鍛造式軸橋；靜強度；疲勞強度

針對日趨嚴重的城市擁堵、汽車尾氣污染以及社會人口老齡化，低地板有軌電車的出現(xiàn)順應(yīng)了社會的需求[1-2]。軸橋作為低地板車輛特有的關(guān)鍵部件之一，其質(zhì)量要求越來越嚴格，現(xiàn)在多采用合金鋼的整體鑄造式和整體鍛造式軸橋，相比較而言整體鍛造式軸橋的缺陷更少，成品率更高且鍛造工藝更加穩(wěn)定，量產(chǎn)后的價格低于整體鑄造式軸橋[3]，因此，整體鍛造式軸橋是發(fā)展趨勢。此外，軸橋的靜強度和疲勞強度特性又直接影響整車的性能，因此研究低地板車輛整體鍛造式軸橋的靜強度和疲勞強度對低地板有軌電車的推廣應(yīng)用具有重要的意義。

1 強度評定方法

1.1 靜強度評定

將車輛在運行過程中很少遇到的極限載荷組合成各種極限工況，通過有限元方法計算出軸橋在各種極限工況下承受的最大應(yīng)力，考察材料抗拉極限、屈服極限與軸橋承受最大應(yīng)力的比值Sm、Sp，評估結(jié)構(gòu)的靜強度是否能滿足使用要求。其中Sm、Sp同時滿足：Sm≥2，Sp≥1.5時認為軸橋的靜強度滿足使用要求。

1.2 疲勞強度評定

將車輛在運行過程中經(jīng)常遇到的運行載荷組合成各種運行工況，通過有限元方法計算出軸橋各運行工況下的應(yīng)力分布，選取軸橋有限元模型上各節(jié)點，并基于最大主應(yīng)力方向簡化各點應(yīng)力狀態(tài)成單軸應(yīng)力狀態(tài)，計算出各點最大應(yīng)力值σmax及最小應(yīng)力值σmin，按下式計算各點的等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值：

將計算出的各點等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值導(dǎo)入Goodman疲勞極限圖進行疲勞評定[4-5]。

2 模型簡化

在Pro/E中建立軸橋的三維模型，為了降低計算量與計算復(fù)雜性，在保證準確反映結(jié)構(gòu)特性的前提下對模型進行了局部簡化，刪除了一些小倒角與小孔，有限元模型采用四面體實體單元(見圖1)。

圖1 整體鍛造式軸橋的網(wǎng)格

3 載荷類型與計算工況

在有限元模型中的載荷作用位置生成參考點，通過耦合約束將參考點控制相應(yīng)的區(qū)域，將各工況下的集中力施加到參考點，實現(xiàn)對特定區(qū)域的加載。

在確定各載荷的大小時，分別參考了BS EN 13104標準、涉及車輪完整性的BS EN 13979標準以及涉及車輛構(gòu)架負載的BS EN 13749標準。

軸橋承受的載荷分為運行載荷和極限載荷，這些載荷組合成軸橋在車輛運行中的不同計算工況。軸橋可能承受的所有基本載荷包括：垂直靜載荷、垂直動載荷、車廂擺動時產(chǎn)生的載荷、橫向載荷、車輛變道時的載荷、縱向載荷、制動載荷、預(yù)緊載荷、由一系彈簧扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的載荷、制動器的慣性載荷等，并定義在運行工況下這些載荷的大小為單位載荷。

根據(jù)上述相關(guān)標準將上述基本載荷組合成軸橋在車輛實際運行中的各計算工況，得到26個運行工況和13個極限工況的載荷，并約定基本載荷與坐標系正方向一致為正，反之為負。

4 計算結(jié)果

4.1 運行工況下的計算結(jié)果

根據(jù)26個運行工況，將實際計算載荷施加于有限元模型，得到軸橋在運行工況下的Von Mises應(yīng)力，選取軸橋上不同部位的節(jié)點，計算出這些節(jié)點在各運行工況下的最大及最小應(yīng)力值，計算出各點平均應(yīng)力及應(yīng)力幅值。將各節(jié)點等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值導(dǎo)入Goodman圖進行疲勞強度評定，各節(jié)點疲勞強度評定結(jié)果如圖2所示。圖2表明軸橋上所選各節(jié)點的應(yīng)力值都處在材料Goodman疲勞極限圖內(nèi)，因此軸橋的疲勞強度滿足要求。

圖2 Goodman疲勞評定圖

4.2 軸橋極限工況下的計算結(jié)果

各極限工況下軸橋承受的最大Von Mises應(yīng)力為235.6 MPa，遠小于屈服強度800 MPa，對應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖3所示，各工況下的抗拉安全系數(shù)Sm與屈服安全系數(shù)Sp如表1所示。從表中可知遠遠超過Sm≥2，Sp≥1.5，完全滿足靜強度要求。

表1 極限工況下的計算結(jié)果

圖3 最大應(yīng)力云圖

5 結(jié)束語

利用有限元軟件對整體鍛造式軸橋進行了靜強度和疲勞強度計算，計算結(jié)果表明所選用的軸橋結(jié)構(gòu)能夠滿足各強度要求，完全滿足車輛的實際運用。實際軸橋裝車考核的情況也表明，目前研制的軸橋選材、結(jié)構(gòu)合理，低地板電車運行良好。

[1] 陳偉國.70%低地板與100%低地板有軌電車的比較[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2015(1):19-23.

[2] 趙明花.100%低地板輕軌車關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備集成[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[3] 戚 援,吳志強.低地板車輛用軸橋現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].軌道交通裝備與技術(shù)，2015(3):28-29.

[4] 姚 杰.低地板轉(zhuǎn)向架鋁合金軸橋結(jié)構(gòu)及強度分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報，2012，6(30):829-831.

[5] 葉洪巖,鄔平波.轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架靜強度分析及疲勞強度評估[J].鐵道機車車輛工人，2011(2):23.□

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)05-0048-02

2015-04-13

方翁武(1989-)，男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，從事齒輪箱箱體與吊桿、軸橋靜強度仿真分析工作。

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