杜子學(xué)，張智棟

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

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跨坐式單軌車輛走行輪車軸有限元分析與研究

杜子學(xué)，張智棟

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

摘要：走行輪車軸是跨座式單軌交通車輛轉(zhuǎn)向架的重要部件，其強(qiáng)度和剛度關(guān)系車輛的行車安全。利用有限元分析方法，建立車軸有限元模型，通過求解器進(jìn)行車軸承載情況下的有限元計(jì)算。分析4種不同工況下走行輪車軸的強(qiáng)度和剛度，得到走行輪車軸的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，為跨座式單軌走行輪車軸再優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：跨座式單軌；車軸；強(qiáng)度；剛度；有限元分析

0引言

城市軌道交通已經(jīng)成為我國(guó)城市交通發(fā)展的主流，在城市軌道交通系統(tǒng)中，跨坐式單軌是一種典型的制式。

車輛走行輪車軸是跨坐式單軌車輛的關(guān)鍵承載部件，其性能與車輛運(yùn)行的安全性、可靠性和舒適性直接相關(guān)。車軸在運(yùn)行過程中受載狀態(tài)比較復(fù)雜，它不僅承受垂向載荷，而且還承受牽引力、制動(dòng)力、側(cè)向力以及坡道阻力。為確保車輛的行車安全性能，車軸必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

文中對(duì)跨坐式單軌車輛運(yùn)行時(shí)的各個(gè)工況進(jìn)行了計(jì)算，并基于Hyperworks對(duì)車軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析。

1車軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述及結(jié)構(gòu)參數(shù)

單軌列車走行系統(tǒng)類似汽車行駛系統(tǒng)，相當(dāng)于汽車驅(qū)動(dòng)橋。減速器輸出的扭矩通過驅(qū)動(dòng)軸傳遞給輪芯，輪芯通過楔塊的摩擦力矩將扭矩傳遞到車輪從而驅(qū)動(dòng)列車行駛。在單軌列車走行系統(tǒng)中充分利用了摩擦原理，楔塊起到了關(guān)鍵的“橋梁”作用。

走行輪空心車軸懸臂壓入、固定在構(gòu)架上，輪芯通過圓錐滾子軸承安裝在車軸上，內(nèi)部充填潤(rùn)滑脂，輪芯內(nèi)側(cè)通過后蓋、油封和熱裝在車軸上的防塵圈密封；輪芯外側(cè)通過楔形塊將輪輞緊固在輪芯上；通過邊環(huán)、鎖環(huán)將走行輪胎固定在輪輞外面；輪芯外側(cè)還安裝有驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)軸穿過空心車軸，驅(qū)動(dòng)軸另一端的花鍵插入齒輪減速箱從動(dòng)齒輪的花鍵孔中，傳遞牽引力矩。兩軸承之間設(shè)有軸承間隔套，調(diào)整該間隔套的尺寸保證軸承軸向間隙。其中，車軸材料為L(zhǎng)Z50鋼。車軸結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

跨坐式單軌車輛運(yùn)行時(shí)受到不同工況的載荷，在計(jì)算各工況時(shí)需要用到的車輛的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2有限元模型的建立

建立跨坐式單軌走行輪車軸的三維模型，采用三維六面體單元對(duì)車軸進(jìn)行離散；車軸承受垂向載荷及縱向載荷；進(jìn)行仿真分析時(shí)，在車軸與軸座的配合部位約束其6個(gè)方向的自由度；車軸通過軸承支撐起車輪，為使仿真結(jié)果更加真實(shí)，在軸承與車軸結(jié)合處的單元(橢圓圈住的區(qū)域)施加余弦力時(shí)，受力的角度范圍為120°(如圖2所示)；車軸的材料為L(zhǎng)Z50鋼，彈性模量為2.09 MPa，泊松比為0.28，材料的屈服強(qiáng)度為960 MPa。

3載荷工況

跨坐式單軌在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核方面還沒有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，文中參照TBT 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及鑒定規(guī)范》、TBT 2705-1996《車輛車軸設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算方法》等標(biāo)準(zhǔn)確定走行輪車軸的有限元分析方法。根據(jù)跨坐式單軌結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，文中主要考慮4種工況下車軸的有限元分析。

工況一：垂向動(dòng)載荷；

工況二：平道制動(dòng)工況；

工況三：牽引工況；

工況四：43 km/h過彎道工況。

3.1工況一：垂向動(dòng)載荷

轉(zhuǎn)向架車軸承載靜載荷主要是單軌車輛自身重力，而車軸承受的動(dòng)載荷簡(jiǎn)化的計(jì)算方式為靜載荷與動(dòng)載系數(shù)的乘積，按下式計(jì)算：

FS=KD×F0=172 480 N

式中：FS為車軸動(dòng)載荷；

F0為車軸承受的靜載荷；

KD為動(dòng)載系數(shù)，單軌車輛一般取1.2～1.6。

3.2工況二：平道制動(dòng)工況

單軌車輛的制動(dòng)工況是最常見的工況之一，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算與分析車輛在平道制動(dòng)的情況；單軌車輛最大制動(dòng)加速度的設(shè)計(jì)標(biāo)定為-1.25 m/s2。該工況下車軸在平道受力為垂向載荷和縱向載荷(制動(dòng)力的反力)的合力，其中垂向載荷為107 800 N，縱向載荷為13 750 N。

3.3工況三：牽引工況

該工況下單軌車輛車軸受到來自車輛質(zhì)量的垂向載荷和加速時(shí)地面反力的縱向載荷，兩者共同作用于車軸。其中垂向載荷為107 800 N，縱向載荷為10 670 N。

3.4工況四：43 km/h過彎道工況

單軌車輛以43 km/h過半徑為100 m彎道時(shí)，兩個(gè)走行輪受到來自地面的側(cè)向力和垂向力，受力簡(jiǎn)圖如圖3所示；該工況下受力等效為在車軸軸承處施加垂向力、側(cè)向力和逆時(shí)針的彎矩。該彎矩表現(xiàn)為在右側(cè)軸承處施加向上的力Fn,同時(shí)在左側(cè)軸承處施加向下的力Fn，兩力大小相等，方向相反，具體計(jì)算如下：

Fx1×r+Fx2×r=Fn×l1+Fn×l2

式中：r為走行輪半徑；

l1為右側(cè)軸承中心處到彎矩中心處距離；

l2為左側(cè)軸承中心處到彎矩中心處距離。

4車軸計(jì)算結(jié)果

在構(gòu)建走行輪車軸有限元模型后，按照4種工況對(duì)外輪輞施加載荷，進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，得到輪輞的應(yīng)力與應(yīng)變分布云圖。

4.1工況一：動(dòng)載荷

按照動(dòng)載荷工況下的載荷和邊界條件，對(duì)車軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。車軸應(yīng)力、變形分布云圖如圖4所示。

4.2工況二：平道制動(dòng)工況

按照平道制動(dòng)工況下的載荷和邊界條件，對(duì)車軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。車軸應(yīng)力、變形分布云圖如圖5所示。

4.3工況三：牽引工況

按照牽引工況下的載荷和邊界條件，對(duì)車軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。車軸應(yīng)力、變形分布云圖如圖6所示。

4.4工況四：43 km/h過彎道工況

按照43 km/h過彎道工況下的載荷和邊界條件，對(duì)車軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。車軸應(yīng)力、變形分布云圖如圖7所示。

5結(jié)論

跨坐式單軌車輛走行輪車軸的較大變形主要集中在車軸懸臂端，車軸各工況下最大變形量為1.637 mm，此變形量相對(duì)于走行輪的機(jī)構(gòu)來說較小，剛度滿足設(shè)計(jì)要求。車軸的較大應(yīng)力主要集中車軸壓入的根部。車軸各工況下最大應(yīng)力為317.2 MPa，遠(yuǎn)小于車軸LZ50鋼材料的屈服強(qiáng)度960 MPa，具有足夠的安全系數(shù)，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn):

【1】仲建華，杜子學(xué)，何希和.跨坐式單軌交通車輛道岔結(jié)構(gòu)及分析[M].北京：人民交通出版社，2013.

【2】陳喆，王偉.汽車車橋結(jié)構(gòu)有限元分析[J].機(jī)械，2012,39(12):33-37.

【3】米彩盈,李芾.高速動(dòng)力車車軸強(qiáng)度分析的工程方法[J].鐵道學(xué)報(bào)，2002,24(2):26-29.

【4】王麗英,彭忠義.LZ50車軸鋼低周疲勞性能研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2007(11):40-43.

【5】田合強(qiáng),高福來.高速列車車軸強(qiáng)度計(jì)算方法對(duì)比分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2009,30(2)：99-101.

Finite Element Analysis for the Wheel Axle of Straddle-type Monorail

DU Zixue，ZHANG Zhidong

(School of Mechanotronics & Vehicle Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

Keywords:Straddle-type monorail; Wheel axle; Strength; Stiffness; Finite element analysis

Abstract:Wheel axle is an important component of straddle-type monorail vehicle bogie, and its strength and stiffness affect the automobile safety.The finite element model of the wheel axle was established, and the load distribution of the axle was simulated numerically by the finite element analysis method. Then, the wheel axle stress and strain were obtained by the analysis of the strength and stiffness of the wheel axle in four cases. It provides basis for optimizing the wheel axle of straddle-type monorail.

收稿日期：2016-01-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475062)

作者簡(jiǎn)介：杜子學(xué) (1962—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)方法與理論和載運(yùn)工具運(yùn)行品質(zhì)、交通安全。 通信作者：張智棟,E-mail:877876088@qq.com。

中圖分類號(hào):U463.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)04-001-04