周勤 劉暉霞 李鴻浩

摘要：本文介紹了一種低地板輕軌車輛用彈性車輪的研究與仿真分析，通過ANSYS軟件，采用有限元分析方法對該彈性車輪進(jìn)行了強度仿真分析計算，主要對輪箍、輪心、壓環(huán)的靜強度和疲勞強度進(jìn)行了仿真分析。

關(guān)鍵詞：彈性車輪;設(shè)計;仿真分析;強度;計算

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0139-02

低地板輕軌車輛的地板面高度通常為350mm （高地板為900?1000mm），需要降低地板高度來適應(yīng)低地板的要求。降低地板高度的障礙不是車輪而是車軸，因此低地板車輛不能用常規(guī)車軸及輪對，必須把車軸做成下凹的U形，以降低中間通道的地板高度，在U形車軸兩端的短軸上裝獨立回轉(zhuǎn)的車輪組成輪對，運行時車軸不轉(zhuǎn)動，兩車輪可以以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，這種結(jié)構(gòu)稱為獨立車輪。在低地板輕軌車輛中獨立車輪一般采用彈性車輪，彈性車輪是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，直接影響車輛的使用，必須保證彈性車輪在運行過程中安全、可靠，因此需對彈性車輪進(jìn)行仿真分析、強度計算校核。

1 彈性車輪的結(jié)構(gòu)

彈性車輪的彈性元件多為橡膠件，按橡膠承載方式的不同可分為壓縮型、剪切型和壓剪復(fù)合型三種類型，在該低地板輕軌車輛中，彈性車輪采用壓剪復(fù)合式結(jié)構(gòu)。

彈性車輪主要由輪箍、輪心、壓環(huán)、接地連接線等組成，該低地板車輛用動車及拖車彈性車輪結(jié)構(gòu)如下圖1所示。彈性車輪利用橡膠來吸收高頻振動、緩和沖擊，降低噪聲并改善輪軌的摩擦。通過在輪箍、輪心間嵌入橡膠，能有效的減少輪對的簧下質(zhì)量，降低輪軌間的垂向沖擊加速度;通過橡膠的彈性變形，使車輛通過曲線和道岔時輪緣和鋼軌的摩擦力大大降低，改善輪緣的磨耗。

1.1 輪箍

在車輛運行中，與軌道直接接觸的是彈性車輪輪箍，參考國內(nèi)外彈性車輪的成功應(yīng)用經(jīng)驗，考慮輪軌硬度匹配，即軌輪硬度比值為0.96?1.06和0.99?1.10等綜合因素，輪箍材料選擇UIC810-1V中的B6T，其機械性能參數(shù)見表1。

1.2 輪心

整體輾鋼車輪中比較常用的材料是EN 13262中的ER8、ER9等，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定ER9材質(zhì)的車輪，輻板上的屈服強度應(yīng)至少比輪輞的屈服強度少130MPa。彈性車輪的輪箍相當(dāng)于整體輪的輪輞，輪心相當(dāng)于整體輪的輻板和輪轂，前面所選材料B6T的機械性能等同于ER9，因此，根據(jù)輻板屈服強度應(yīng)至少比輪輞少130MPa這一原則，在該項目中輪芯材質(zhì)可選用GB-T699中的C45+QT，其機械性能參數(shù)見表2。

1.3 壓環(huán)

壓環(huán)可選擇機械性能略高于輪芯的材質(zhì)。在該項目中，壓環(huán)的材質(zhì)選用EN 10083-3中的25CrMo4+QT，其機械性能參數(shù)見表3。

2 彈性車輪的強度仿真分析

2.1 彈性車輪有限元模型

彈性車輪的有限元模型如圖2所示，輪箍、輪心、橡膠件及壓環(huán)均采用四面體網(wǎng)格單元。由于無橡膠件的具體參數(shù)，因此實際計算時根據(jù)車輪進(jìn)行靜強度試驗時得到的剛度按線性材料剛度進(jìn)行近似處理。

2.2 彈性車輪計算工況

本次計算主要依據(jù)UIC510-5《整體車輪的技術(shù)檢驗》和EN13979中的載荷分配方法進(jìn)行計算，分為在平直軌道上行駛、在曲線軌道上行駛和通過道岔三種工況進(jìn)行計算。各工況下載荷作用如圖3所示。

其中：Q：車輪每一車輪作用在鋼軌上的質(zhì)量載荷（KN）;Fz：垂向作用力（kN）;Fy：每個車輪的橫向作用力（kN）;

工況1：（在平直道上行駛）L₁=57mm，F(xiàn)_z1=1.25Q。

工況2：（在曲線上行駛）L₂=25mm，F(xiàn)_z2=1.25， F_y2=0.7Q。

工況3：（通過道岔） L₃=92mm，F(xiàn)_Z3=1.25Q，F(xiàn)_y3=0.42Q。

2.3 彈性車輪強度評估

2.3.1 車輪靜強度評定

參照標(biāo)準(zhǔn)“UIC510-5”，車輪靜強度評定標(biāo)準(zhǔn)為：車輪上各點應(yīng)力不超過材料的彈性極限。輪箍材料暫定為B6T，其彈性極限為580Mpa ;輪心材料選用C45+QT，其彈性極限為415Mpa （GB/699）;壓環(huán)材料選用25OMo4+QT，其彈性極限為 450Mpa。

2.3.2 疲勞強度評定

標(biāo)準(zhǔn)prEN13979-1規(guī)定了應(yīng)力的確定方法，該方法認(rèn)為車輪在運行中，各點為非對稱循環(huán)，其破壞型式由最大主應(yīng)力方向的應(yīng)力造成。由此，通過模型節(jié)點的應(yīng)力分布信息，確定每個節(jié)點在不同載荷工況作用下的最大主應(yīng)力和和最小主應(yīng)力值。按下式計算平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和極限應(yīng)力。計算出的極限應(yīng)力Act范圍應(yīng)當(dāng)?shù)陀谠试S應(yīng)力。

平均應(yīng)力：

;應(yīng)力幅值：

;極限應(yīng)力：

3 計算結(jié)果

3.1 車輪靜強度

3.1.1 拖車彈性車輪靜強度

直線、曲線和道岔三種工況下拖車輪心的von_Mises應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為187MPa、236MPa、200MPa;拖車壓環(huán)的von_Mises應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為270MPa、268MPa、281MPa;拖車輪箍的von_Mises應(yīng)力云圖（除載荷加載區(qū)域外，三種工況下的von_Mises應(yīng)力均未超過材料的許用應(yīng)力415MPa）。

由計算可知，在直線、曲線和道岔三種工況下拖車彈性車輪各部件的最大von_Mises應(yīng)力均未超過材料的許用應(yīng)力，因此，拖車車輪各部件靜強度均滿足要求。

3.1.2 動車彈性車輪靜強度

直線、曲線和道岔三種工況下動車輪心的von_Mises應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為185MPa、230MPa、242MPa;動車壓環(huán)的von_Mises應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為264MPa、265MPa、262MPa ;動車輪箍的von_Mises應(yīng)力云圖。

由計算可知，在三種工況下動車彈性車輪各部件的最大von_Mises應(yīng)力均未超過材料的許用應(yīng)力。因此，動車車輪各部件靜強度均滿足要求。

3.2 車輪疲勞強度

由于輪箍厚度在運行過程中始終在變化且一般對于車輪疲勞強度的校核一般不包含輪轂部分。因此對彈性車輪部件的疲勞強度的核算只包含壓環(huán)和輪心。

將拖車和動車車輪輪心、壓環(huán)上各節(jié)點的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力繪入Goodman疲勞曲線內(nèi)如圖4所示，拖車和動車車輪輪心、壓環(huán)上各節(jié)點均落在Goodman疲勞曲線內(nèi)，因此可知，拖車和動車車輪輪心、壓環(huán)滿足疲勞強度要求。

4 結(jié)語

本文根據(jù)UIC510-5《整體車輪的技術(shù)檢驗》和EN13979中的載荷分配方法確定了彈性車輪輪轂、輪心及壓環(huán)的直線、曲線和道岔三種計算工況，通過ANSYS仿真分析，對動車及拖車彈性車輪輪轂、輪心及壓環(huán)進(jìn)行了強度計算，滿足低地板輕軌車輛運用要求。

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