孫珉堂， 李梁京， 趙峰強(qiáng)， 粘世昌， 李 芾

(1 中車四方車輛有限公司， 山東青島 266111；2 西南交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程系， 成都 610031)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口迅速增加，城市擁堵與大氣污染問題變得日益嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)很多大城市借鑒世界其他發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)開始興建立體化的軌道交通系統(tǒng)，以解決日趨嚴(yán)重的交通問題。目前，城市軌道交通系統(tǒng)主要分為使用鋼輪-鋼軌的有軌電車、地鐵及使用膠輪的自導(dǎo)向電車。但是采用鋼輪鋼軌走行模式的有軌電車在鋼軌上行駛時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，對(duì)周圍環(huán)境的影響已成為限制城市軌道交通發(fā)展的突出問題之一[1]。而自導(dǎo)向膠輪電車，具有比地鐵投資小、噪聲小、工期短，污染小的優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)道路要求較低在國(guó)內(nèi)得到迅速發(fā)展[2]。

膠輪導(dǎo)軌電車作為自導(dǎo)向膠輪電車的一種，在國(guó)內(nèi)上海張江、天津?yàn)I海新區(qū)成功運(yùn)行[3-4]。但是由于該類車輛在國(guó)內(nèi)為首次研發(fā)，其車輛結(jié)構(gòu)又介于鐵路車輛和公路車輛兩者之間，其走行部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合現(xiàn)行鐵路車輛，提出了用于膠輪導(dǎo)軌電車走行部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法，并針對(duì)設(shè)計(jì)的膠輪導(dǎo)軌車輛進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1 膠輪導(dǎo)軌電車介紹

膠輪導(dǎo)軌電車走行部分為動(dòng)力走行部和非動(dòng)力走行部?jī)煞N。動(dòng)力走行部如圖2(a)所示，主要由動(dòng)力軸橋和導(dǎo)向裝置組成。拖動(dòng)走行部如圖2(b)所示，主要由承載軸橋和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖1 導(dǎo)軌電車編組圖

圖2 走行部

2 車輛模型

相比非動(dòng)力走行部，動(dòng)力走行部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜且承受載荷更大，在分析中以動(dòng)力走行部為例。動(dòng)力走行部承載結(jié)構(gòu)采用鋼板組焊而成的箱型梁，上端上蓋板區(qū)安裝空氣彈簧，為垂向載荷輸入位置，同時(shí)布置垂向液壓減振器，下端與軸橋組焊，將車體垂向載荷傳遞至軸橋?；贏NSYS軟件，對(duì)各分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模，采用高精度10節(jié)點(diǎn)二階四面體單元Solid92進(jìn)行網(wǎng)格離散。動(dòng)力走行部承載構(gòu)架及導(dǎo)向連桿系統(tǒng)實(shí)體模型及有限元網(wǎng)格離散模型如圖3～圖6所示。

圖3 走行部承載構(gòu)架實(shí)體模型

圖4 走行部承載構(gòu)架有限元模型

圖5 導(dǎo)向連桿系統(tǒng)實(shí)體模型

3 計(jì)算載荷及工況

參考鐵道車輛走行部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定方法TB/T 2637《鐵道客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕及搖動(dòng)臺(tái)》標(biāo)準(zhǔn)，該車走行部各承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算可考慮兩類載荷：超常載荷和正常運(yùn)營(yíng)載荷。其中，前者代表走行部在運(yùn)用壽命期間極少出現(xiàn)的極值載荷；后者代表走行部在正常運(yùn)營(yíng)條件下經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)值中等的載荷。相應(yīng)地，計(jì)算載荷工況也分為兩類：超常載荷工況和正常運(yùn)營(yíng)載荷工況。由圖2可知，走行部結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：汽車軸橋和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，因此走行部設(shè)計(jì)計(jì)算載荷可參照相關(guān)汽車和鐵道車輛設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。

圖6 導(dǎo)向連桿系統(tǒng)有限元計(jì)算模型

3.1 超常載荷

3.1.1軸橋評(píng)定載荷

垂向載荷：根據(jù)參考文獻(xiàn)《汽車設(shè)計(jì)》[6]，汽車軸橋除承受靜態(tài)載荷外，還承受附加的沖擊載荷，該車軸橋動(dòng)載荷系數(shù)可取2.5，因此最大垂向載荷為滿載載荷的2.5倍。

橫向載荷：主要考慮車輛通過曲線時(shí)離心力導(dǎo)致的側(cè)向力載荷，此時(shí)車輛處于側(cè)滑的臨界狀態(tài)，最大側(cè)向力載荷即地面給輪胎的側(cè)向附著力。

第2次手術(shù)時(shí)間（118.53±42.62）min，出血量（85.61±30.83）ml；后路選擇性減壓4例，神經(jīng)根癥狀消失，術(shù)后傷口愈合好，沒有出現(xiàn)并發(fā)癥。

縱向載荷：主要考慮電車最大啟動(dòng)牽引力或緊急制動(dòng)產(chǎn)生的載荷；軸橋與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)連接部位考慮導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的最大5g加速度沖擊載荷；

3.1.2導(dǎo)向機(jī)構(gòu)評(píng)定載荷

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)載荷主要考慮驅(qū)動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的導(dǎo)向力載荷和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)安裝部位的沖擊載荷。超常載荷分別為車輛運(yùn)行時(shí)最大導(dǎo)向力和最大5g加速度沖擊載荷。

根據(jù)線路試驗(yàn)可知最大導(dǎo)向力載荷為10 kN。

3.2 運(yùn)營(yíng)載荷

3.2.1軸橋評(píng)定載荷

軸橋運(yùn)營(yíng)載荷主要考慮車輛正常運(yùn)營(yíng)工況所產(chǎn)生的載荷。

垂向載荷：車輛運(yùn)行對(duì)軸橋產(chǎn)生的垂向載荷。

縱向載荷：車輛運(yùn)行所需的持續(xù)牽引力。

3.2.2導(dǎo)向機(jī)構(gòu)評(píng)定載荷

根據(jù)線路試驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果可知，車輛正常運(yùn)行過程中產(chǎn)生的導(dǎo)向力為6 kN，因此導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)行載荷取6 kN。

4 強(qiáng)度評(píng)定方法

4.1 靜強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則

在超常載荷工況作用下，結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生可測(cè)量到的整體結(jié)構(gòu)永久變形，其意味著結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面應(yīng)力不應(yīng)超過材料的屈服強(qiáng)度。各類焊縫的疲勞許用應(yīng)力均保守采用ERRI B12/RP17給出的數(shù)值。但對(duì)于使用塑性材料制造的承載結(jié)構(gòu)，應(yīng)力計(jì)算沒有必要考慮所有應(yīng)力集中，特別是結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中。 由于模型在計(jì)算時(shí)考慮了應(yīng)力集中效應(yīng)，運(yùn)行部分高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力值超過材料屈服強(qiáng)度，但應(yīng)保證屈服強(qiáng)度足夠小從而材料不會(huì)產(chǎn)生永久變形。

4.2 疲勞強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則

疲勞載荷的評(píng)定參照EN和UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)推薦使用的修正Goodman疲勞極限圖進(jìn)行。結(jié)構(gòu)在各種正常運(yùn)營(yíng)載荷工況作用下，按最不利組合方式確定出的動(dòng)應(yīng)力，應(yīng)小于制造材質(zhì)相應(yīng)的疲勞許用應(yīng)力。其中，確定承載鋼結(jié)構(gòu)各部位動(dòng)應(yīng)力的方法和步驟為：

基于結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力分析技術(shù)，分別計(jì)算承載鋼結(jié)構(gòu)在各種正常運(yùn)營(yíng)載荷工況作用下的應(yīng)力分布結(jié)果；

對(duì)結(jié)構(gòu)任意部位，首先確定其在各載荷工況下的主應(yīng)力值，然后取結(jié)果值中最大的主應(yīng)力值為該部位動(dòng)應(yīng)力的最大應(yīng)力σmax， 其余工況向最大應(yīng)力方向投影。

使用式(1)將其他載荷工況下的各向應(yīng)力投影至最大應(yīng)力σmax作用方向，并取投影值中最小者為該部位動(dòng)應(yīng)力的最小應(yīng)力σmin；

(1)

式中：σch,i為第i載荷工況下各向應(yīng)力沿最大應(yīng)力σmax作用方向投影應(yīng)力值；

σxx,i、σyy,i、σzz,i為第i載荷工況下的三向正應(yīng)力值；

σxy,i、σxz,i、σyz,i為第i載荷工況下的三向剪應(yīng)力值。

使用式(2)計(jì)算出該部位其他動(dòng)應(yīng)力參量：

(2)

式中：σm為平均應(yīng)力；σa為應(yīng)力幅；R為應(yīng)力比。

按上述方法確定出各部位動(dòng)應(yīng)力相關(guān)參量后，即可將其與疲勞許用應(yīng)力進(jìn)行比較驗(yàn)證其疲勞強(qiáng)度。本報(bào)告中，疲勞許用應(yīng)力采用EN和UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)推薦使用的修正Goodman疲勞極限線圖：將結(jié)構(gòu)各部位的動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)點(diǎn)(σm，σmax)和(σm，σmin)放入對(duì)應(yīng)的修正Goodman疲勞極限線圖內(nèi)評(píng)定。如圖7所示為母材抗拉強(qiáng)度不小于520 MPa的疲勞極限線圖。

5 構(gòu)架計(jì)算結(jié)果分析

5.1 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

按上述載荷工況即評(píng)定準(zhǔn)則對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行靜強(qiáng)度評(píng)定。結(jié)果表明：動(dòng)力走行部軸橋在所有載荷工況作用下，應(yīng)力均小于制造材質(zhì)的許用應(yīng)力，滿足靜強(qiáng)度評(píng)定要求。最大載荷工況下動(dòng)力走行部承載構(gòu)架及導(dǎo)向連桿系統(tǒng)有限元模型計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖7 角焊縫修正Goodman疲勞極限線圖

圖8 動(dòng)力走行部軸橋靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖9 導(dǎo)向連桿系統(tǒng)靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

5.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

使用圖5所示疲勞極限線圖評(píng)定動(dòng)力走行部軸橋及導(dǎo)向連桿系統(tǒng)疲勞強(qiáng)度性能。計(jì)算和分析結(jié)果表明，動(dòng)力走行部承載構(gòu)架組焊梁各焊縫接頭部位及導(dǎo)向連桿系統(tǒng)動(dòng)應(yīng)力均位于角焊縫修正Goodman疲勞極限線圖包絡(luò)線內(nèi)，疲勞強(qiáng)度滿足評(píng)定要求。其動(dòng)應(yīng)力校核結(jié)果如圖10所示。

6 結(jié) 論

依據(jù)鐵道車輛標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2637及相關(guān)汽車車輛標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合膠輪導(dǎo)軌電車走行部的受力特性及運(yùn)行特性提出，在理論上為膠輪導(dǎo)軌電車走行部的受力計(jì)算提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，其實(shí)用性可通過線路試驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

圖10 動(dòng)應(yīng)力校核結(jié)果