陳 陽，王伯銘

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

日常生活中所見到的大多數(shù)軌道車輛都是行駛在路面上，或者說傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架一般都在車體下方。懸掛式軌道系統(tǒng)與傳統(tǒng)軌道交通不同：它的車體在轉(zhuǎn)向架的下方，轉(zhuǎn)向架被下方開口的軌道梁包住，然后以高架或者其他形式架在空中。這樣軌道車輛就不再行駛在大地上而是空中。采用懸掛式單軌系統(tǒng)不僅節(jié)約了大量的土地資源，為城市規(guī)劃發(fā)展提供了空間，同時由于行駛在空中，不會出現(xiàn)與地面車輛發(fā)生碰撞或者搶占路權(quán)的情況，符合中小城市的發(fā)展需要[1]。但是大多數(shù)懸掛式單軌車輛與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動方式類似：轉(zhuǎn)向架上的電動機獲得電能后，電動機輸出軸一端連接齒輪箱，之后再靠齒輪箱將扭矩傳遞到車軸上。這種傳遞形式傳動效率不高，同時由于電機以及齒輪箱體積和質(zhì)量都特別大，這使得轉(zhuǎn)向架構(gòu)架變得更加笨重，增加了制造成本以及維修保養(yǎng)難度。直驅(qū)電機懸掛式轉(zhuǎn)向架由于采用了直驅(qū)電機，免去了繁瑣的傳動裝置，減少了整個轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，同時縮小了體積，有利于減小轉(zhuǎn)向架軸距，提高轉(zhuǎn)向架的曲線通過能力。本文對這種新型轉(zhuǎn)向架進行了構(gòu)架強度以及疲勞分析，為該新型懸掛式軌道交通投入運營打下了堅實的基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

新型直驅(qū)電機懸掛式轉(zhuǎn)向架以兩根縱梁以及一根橫梁為主要結(jié)構(gòu)，安裝完成后整個構(gòu)架近似于一個“H”型；直驅(qū)電機安裝在縱梁兩側(cè)，通過拉桿以及一系懸掛分別與橫梁和縱梁相連接。在直驅(qū)電機上同時安裝有牽引拉桿以及定位拉桿，通過這些拉桿來傳遞牽引力以及制動力等，同時電機的兩端還安裝有一系懸掛，通過它來傳遞和吸收運行中由于軌道不平順以及其他因素產(chǎn)生的激勵；同時由于使用了橡膠輪胎，使得爬坡能力得到了提升，但喪失了導(dǎo)向功能，因此還需要在轉(zhuǎn)向架上安裝導(dǎo)向輪來幫助轉(zhuǎn)向架通過曲線。懸吊梁通過懸吊銷與轉(zhuǎn)向架相連，車體與車體吊架相連，車體吊架通過空氣彈簧壓在懸吊梁上。轉(zhuǎn)向架總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由薄板以及鍛鋼構(gòu)成，橫梁整體由薄板搭接，縱梁則直接鍛造而成。整體呈“H”型結(jié)構(gòu)，構(gòu)架為對稱結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1-走行輪;2-導(dǎo)向輪;3-懸吊裝置 4-縱梁;5-橫粱;6-牽引拉桿座圖1 轉(zhuǎn)向架總體結(jié)構(gòu) 圖2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

2 構(gòu)架強度分析

2.1 載荷表計算

2.1.1 構(gòu)架超常載荷

由于懸掛式單軌車輛結(jié)構(gòu)形式較為特殊，現(xiàn)可查文獻中尚未有具體針對懸掛式單軌車輛構(gòu)架的強度試驗標(biāo)準(zhǔn)。DIN EN13749:2011《鐵路應(yīng)用—輪對與轉(zhuǎn)向架—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定方法》[1]簡稱EN標(biāo)準(zhǔn)，EN標(biāo)準(zhǔn)中的B-Ⅳ類為輕軌車輛和有軌電車，這

兩類車的運行方式與懸掛式轉(zhuǎn)向架類似，因此本文將參考EN的B-Ⅳ類轉(zhuǎn)向架的設(shè)計方法來對本文的轉(zhuǎn)向架進行強度分析。

首先建立超常載荷工況表，如表1所示。

表1 部分超常載荷工況 N

2.1.2 構(gòu)架正常運營載荷

正常運行載荷是在懸掛式軌道車輛正常運行時所受到的各種載荷工況的疊加，表2為正常載荷工況的載荷表。

表2 部分正常載荷工況

2.2 模型處理

首先使用SolidWorks進行構(gòu)架的模型搭建，之后再生成對應(yīng)stp文件，接著將模型導(dǎo)入Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分以及各種載荷的添加，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，賦值為Solid185。最后構(gòu)架共離散為1 836 040個單元、433 177個節(jié)點。所用材料為Q345，材料屬性見表3。

表3 材料屬性

在Hypermesh中完成前處理后，模型如圖3所示，其中為了簡便運算，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的縱梁運用Hypermesh中的Beam進行模擬，走行輪以及橡膠輪等均采用Spring來進行模擬，之后將模型導(dǎo)入ANSYS進行計算。

圖3 構(gòu)架有限元模型

2.3 結(jié)果處理

對ANSYS結(jié)果進行分析，無論是超常載荷工況還是正常載荷工況中，較大應(yīng)力均位于橫梁下半部彎曲處以及橫梁前后定位拉桿座處，其中超常載荷為工況2，應(yīng)力大小為305.001 MPa(見圖4)；正常載荷為工況18，應(yīng)力大小為121.773 MPa。當(dāng)轉(zhuǎn)向架通過曲線時，由于在側(cè)擋處施加了一個較大的力，止擋力對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)生了一個較大的力矩，使得在橫梁下半部彎曲處以及橫梁前后定位拉桿座處產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

圖4 超常載荷工況2應(yīng)力圖

參考標(biāo)準(zhǔn)EN13749，選取合適的安全系數(shù)S，焊縫區(qū)域選取1.1，非焊縫區(qū)域選取1.0，對于超常載荷工況，應(yīng)力條件均在材料允許范圍內(nèi)[2]。

3 疲勞壽命

采用MATLAB軟件編程，通過比較得到節(jié)點所有工況下的最大主應(yīng)力值，將節(jié)點在其他載荷工況下的主應(yīng)力投影至最大主應(yīng)力方向，并比較得到節(jié)點的最小主應(yīng)力，通過計算得到平均應(yīng)力σm[3]。通過繪制云圖來得到構(gòu)架節(jié)點在Goodman疲勞極限圖中的分布，如圖5所示。

由圖5可以看出所有的應(yīng)力點均落在Goodman曲線的包絡(luò)線內(nèi)，沒有出現(xiàn)超出的應(yīng)力點，因此疲勞驗算合格。

圖5 疲勞極限圖

4 結(jié)束語

目前懸掛式單軌車輛在我國的熱度逐年提高，各式各樣的轉(zhuǎn)向架相繼出現(xiàn)，對于這樣一種新型的軌道交通，我國并沒有相關(guān)的強度計算標(biāo)準(zhǔn)[4]。本文根據(jù)EN13749中對于輕軌車輛的計算標(biāo)準(zhǔn)，對這種新型懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架進行了強度以及疲勞分析，其總體滿足設(shè)計要求；但是由于該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)有較大的區(qū)別，因此使用的參數(shù)還有待于進一步研究。本文的研究對于今后相似轉(zhuǎn)向架的研究計算具有參考價值。