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        低地板車輛軸橋的強(qiáng)度計(jì)算與評定

        2020-07-15 10:50:50吳志強(qiáng)
        軌道交通裝備與技術(shù) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:有限元

        吳志強(qiáng) 楊 輝 陳 沛

        ( 中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213125)

        我國對低地板車輛的研究較晚,在2010年后國內(nèi)對低地板車輛的關(guān)注度迅速提升,目前為止有規(guī)劃建設(shè)或已開始建設(shè)低地板線路的城市超過50個。軸橋是使用在低地板車輛上的軸類關(guān)鍵零部件,為了降低車輛內(nèi)地板面的高度,該零件設(shè)計(jì)成下凹式彎曲結(jié)構(gòu)[1]。

        國內(nèi)的傳統(tǒng)軸橋大部分采用整體鑄造或焊接形式的工藝進(jìn)行制造,缺陷較難控制,可靠性較低。整體鍛造軸橋作為近幾年國內(nèi)先進(jìn)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品,它具有缺陷少、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[2]。

        作為低地板車輛上的重要部件,軸橋的強(qiáng)度對車輛的安全性和平穩(wěn)性至關(guān)重要。低地板車輛在運(yùn)行時,軸橋不轉(zhuǎn)動,連接在軸橋兩側(cè)的車輪獨(dú)立轉(zhuǎn)動,相比傳統(tǒng)車軸增加了一系懸掛支撐座等結(jié)構(gòu),它的受力與傳統(tǒng)車軸差異較大,至今沒有關(guān)于低地板車輛用軸橋的受力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)外也很少有相關(guān)的受力計(jì)算論文。本文參考傳統(tǒng)客車車軸、轉(zhuǎn)向架等標(biāo)準(zhǔn),針對軸橋進(jìn)行了載荷計(jì)算及強(qiáng)度評定。

        1 軸橋的有限元模型

        文中軸橋采用的是整體鍛造成型工藝,使用某高強(qiáng)度合金鋼鍛造材料。力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

        表1 軸橋材料力學(xué)性能參數(shù)

        有限元模型采用C3D4四面體實(shí)體單元,并在軸橋軸頭處網(wǎng)格細(xì)分,確保計(jì)算精度,網(wǎng)格模型如圖1所示。

        圖1 軸橋網(wǎng)格模型

        2 軸橋載荷計(jì)算

        軸橋計(jì)算的主要輸入?yún)?shù)如表2所示。

        表2 軸橋計(jì)算的主要參數(shù)

        軸橋承受的載荷可分為極限載荷和運(yùn)行載荷,這些載荷組合了成軸橋在車輛運(yùn)行過程中的不同計(jì)算工況。下文列出了軸橋可能承受的所有載荷類型,并分析了軸橋在各種載荷下的受力狀態(tài)以及受力大小[3]。

        2.1 極限載荷

        2.1.1極限垂直載荷

        參照EN 13749標(biāo)準(zhǔn),得出作用于一個軸橋的質(zhì)量應(yīng)為:

        m1max=(mv+c1-m2)/2=8 750 kg

        每個車輪對軸橋的垂直支撐載荷為:

        Fzw1max=1.4·m1max·g/2=60 086 N

        2.1.2極限橫向載荷

        計(jì)算時取車輛的最大橫向加速度ay=0.6g,極限工況下軌道作用于車輪的橫向力大小為:

        Fywmax=ay·m1max=51 503 N

        方向:與車輛的橫向加速度方向相反。

        2.1.3側(cè)滾垂向載荷

        該載荷為橫向力引起兩側(cè)車輪垂向力的變化。車體在受橫向力時會發(fā)生側(cè)滾運(yùn)動,從而使車輪一側(cè)增載的同時另一側(cè)減載,則作用在車輪上的側(cè)滾垂向力為:

        Fzw2max=Fyw2max·(h-hp)/p=49 786 N

        2.1.4極限縱向載荷

        考慮最大縱向加速度的大小ax=0.5g,作用在軸橋處的縱向牽引力的大小為:

        Fxw2max=axmax·(m1max+m+)/2=22 097 N

        2.2 運(yùn)行載荷

        2.2.1垂直靜態(tài)載荷

        作用于一個軸橋的質(zhì)量為:

        m1=mv+1.2·(c2-m2)/2=8 120 kg

        每個車輪對軸橋的垂直支撐力為:

        Fzw1=m1·g/2=39 829 N

        2.2.2垂直動態(tài)載荷

        垂直動態(tài)載荷的取值依據(jù)EN 13104標(biāo)準(zhǔn),為垂直靜態(tài)載荷的25%。

        2.2.3橫向載荷

        EN 13104標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定車輛的橫向加速度為ay=0.35g,軌道作用于車輪橫向力的大小為:

        Fyw=ay·m1=27 880 N

        方向:與車輛的橫向加速度方向相反。

        2.2.4側(cè)滾垂向載荷

        該載荷為橫向力引起兩側(cè)車輪垂向力的變化。車體在受橫向力時會發(fā)生側(cè)滾運(yùn)動,從而使車輪一側(cè)增載的同時另一側(cè)減載,則作用在車輪上的側(cè)滾垂向力為:

        Fzw2=Fyw·(h-hp)/p=26 951 N

        2.2.5縱向載荷

        該載荷為車輛啟動時的慣性力,車輛運(yùn)行時縱向加速度的大小為0.3g。作用在軸橋每一端軸頸處的縱向牽引力的大小為:

        Fxw=ax·(m1+m+)/2=12 331 N

        2.3 載荷工況

        如圖2所示,規(guī)定坐標(biāo)系中+Y方向?yàn)檐囕?所在位置。經(jīng)有限元初步分析,縱向載荷對軸橋的應(yīng)力貢獻(xiàn)非常小,最大應(yīng)力位置的貢獻(xiàn)在10 MPa以內(nèi),因此在極限和運(yùn)行載荷工況中省略縱向載荷,以簡化工況組合。

        圖2 軸橋坐標(biāo)圖

        對于極限負(fù)載,選取了過曲線和道岔下的4種垂向載荷和橫向載荷組合工況,如表3所示。

        參考UIC 515-4和EN 13749標(biāo)準(zhǔn)中的工況組合方法,并結(jié)合低地板車輛特殊的槽型軌受力情況,將垂向載荷、橫向載荷按照直線、曲線和道岔工況進(jìn)行組合,模擬運(yùn)行工況如表4所示。

        表3 軸橋極限工況

        3 計(jì)算結(jié)果及分析

        3.1 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

        將軸橋材料的抗拉極限、屈服極限與計(jì)算所得到的最大應(yīng)力之比,分別定義為抗拉安全系數(shù)和屈服安全系數(shù),用Sm、Sp表示。當(dāng)Sm、Sp同時滿足Sm≥2,Sp≥1.5 時,認(rèn)為軸橋的靜強(qiáng)度滿足使用要求。

        針對表3中的極限工況,采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算出軸橋的Von Mises應(yīng)力(見表5),結(jié)果顯示最大應(yīng)力出現(xiàn)在第2工況軸頸與軸頭圓弧過渡位置(見圖3),Von Mises應(yīng)力大小為349.1 MPa。經(jīng)過計(jì)算,抗拉安全系數(shù)Sm為2.29,屈服安全系數(shù)Sp為1.72,軸橋靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

        表4 軸橋模擬運(yùn)行工況

        表5 危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果

        圖3 極限工況下最大Von Mises應(yīng)力工況

        3.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

        Goodman疲勞極限圖法是一種簡便實(shí)用的疲勞強(qiáng)度評定方法,它基于材料的疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等繪制疲勞極限圖,通常利用仿真方法獲得的危險(xiǎn)點(diǎn)處應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行評估,該方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段具有很重要的意義[4]。

        將軸橋各模擬運(yùn)行工況進(jìn)行有限元分析,選取軸橋上的8個危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn),計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)在不同運(yùn)行工況下的最大主應(yīng)力σmax及最小主應(yīng)力σmin,按下式計(jì)算各點(diǎn)的等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值:

        各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表6所示,將等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值點(diǎn)入Goodman圖進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評定。如圖4所示,應(yīng)力計(jì)算結(jié)果處在材料Goodman疲勞極限圖內(nèi),因此疲勞強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。

        表6 危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果

        圖4 軸橋的Goodman疲勞評定圖

        4 結(jié)束語

        上文介紹了一種采用整體鍛造工藝進(jìn)行制造的低地板車輛軸橋產(chǎn)品,參考EN 13104、EN 13979、EN 13749等標(biāo)準(zhǔn),對極限載荷和運(yùn)行載荷下的軸橋進(jìn)行受力計(jì)算,采用有限元方法對軸橋的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算及評定,結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

        由于低地板車輛線路運(yùn)行環(huán)境與傳統(tǒng)車輛差別較大,軸橋沒有專門的受力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。文中的受力及計(jì)算方法綜合了車軸及轉(zhuǎn)向架類相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),對其他種類軸橋及低地板車輛的受力分析有一定的參考價(jià)值。

        近年來,國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開始使用VDV 152進(jìn)行車輛的計(jì)算及評估,最新的VDV 152-2016對低地板車輛的強(qiáng)度分析及評定進(jìn)行了系統(tǒng)指導(dǎo),公司項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了這方面的研究。

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