李錚

（中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司,武漢 430000）

0 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)由城市主城區(qū)向周邊區(qū)域、一線城市向二三線城市延伸，對(duì)中低運(yùn)量的新型制式軌道交通系統(tǒng)的需求日益增加[1]。得益于此，國(guó)內(nèi)懸掛式單軌技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是由于國(guó)內(nèi)懸掛式單軌起步較晚，缺少相應(yīng)的技術(shù)積累及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，尤其涉及到車輛安全性的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)方案有待完善和提高[2]。

懸掛式單軌列車的牽枕緩結(jié)構(gòu)用于車體和轉(zhuǎn)向架、車體和車鉤的連接，其負(fù)責(zé)將牽引動(dòng)力傳遞到車體[3]，牽枕緩作為整個(gè)車體結(jié)構(gòu)的核心部件, 具有承載力大并承受動(dòng)載荷的特點(diǎn)[4]。因而在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，牽枕緩結(jié)構(gòu)面臨著高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求、工藝復(fù)雜、制造困難等問(wèn)題。另一方面，懸掛式單軌交通作為中低運(yùn)量的交通方式，其車體相對(duì)較小，軸距、車長(zhǎng)僅為地鐵車輛的1/2不到，因此牽枕緩?fù)庑纬叽缡艿捷^大的空間限制，并且因?yàn)閼覓焓絾诬壀?dú)特的運(yùn)行方式——轉(zhuǎn)向架在車體上方，使其面臨著輕量化的問(wèn)題。

綜上所述，針對(duì)懸掛式單軌列車，如何設(shè)計(jì)出一種牽枕緩結(jié)構(gòu)，以便其滿足使用性要求的同時(shí)，能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、減少應(yīng)力集中、增加使用壽命成為了行業(yè)內(nèi)亟待解決的技術(shù)難題。

1 牽枕緩結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段已有的懸掛式單軌車牽枕緩結(jié)構(gòu)形式多樣，總體來(lái)說(shuō)都存在著兩方面問(wèn)題：質(zhì)量控制和連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

牽枕緩的枕梁結(jié)構(gòu)部分采用分體式，部分采用箱型焊接結(jié)構(gòu)。分體式結(jié)構(gòu)的不足之處在于其兩部分的平面度不好控制，且安裝定位存在難度；箱型焊接結(jié)構(gòu)的不足則是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)體積較大，質(zhì)量難以控制。

牽枕緩的懸吊結(jié)構(gòu)部分采用螺栓連接，部分采用焊接連接。螺栓連接抗剪能力較弱，螺栓磨損后密封性難以保證；焊接連接是將懸吊結(jié)構(gòu)的連接件直接和車體焊接，車體的安全性完全依靠焊縫的質(zhì)量，可以滿足安全性要求，但是安全冗余度不足。

根據(jù)前述牽枕緩結(jié)構(gòu)的不足及懸掛式單軌列車實(shí)際運(yùn)用工況要求，本文提出一種新型的用于懸掛式單軌列車的鋁合金牽枕緩結(jié)構(gòu)，緩沖梁前端與牽引梁、車鉤安裝座板焊接，后端與枕梁焊接，如圖1所示。

圖1 牽枕緩結(jié)構(gòu)

1.1 牽引梁

車鉤安裝座板為鋁合金板，中部設(shè)有螺栓孔及沉臺(tái)，使車鉤安裝座板與車鉤螺栓連接，車鉤安裝座板開(kāi)設(shè)螺栓孔處沉臺(tái)尺寸與車鉤安裝結(jié)構(gòu)相匹配。牽引梁與車頂上端梁為一體式結(jié)構(gòu)，采用鋁合金擠壓型材，并在兩端下方開(kāi)連接口與車體縱梁焊接固連。此上端梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體剛性好，利于承受縱向力。

1.2 緩沖梁

常規(guī)緩沖梁結(jié)構(gòu)均為板材拼焊，針對(duì)單軌列車緩沖梁結(jié)構(gòu)尺寸限制，采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)仿真計(jì)算在上蓋板和側(cè)立板接縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中和疲勞強(qiáng)度不滿足要求。針對(duì)此情況該結(jié)構(gòu)采用上蓋板為折彎型材的新型緩沖梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。此結(jié)構(gòu)緩沖梁上蓋板為型材，通過(guò)緩沖梁側(cè)立板與下蓋板焊接固連，形成緩沖梁主體。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，在不改變緩沖梁外形的情況下，通過(guò)改變板材型材形狀，將焊縫下移，解決了結(jié)構(gòu)薄弱部分應(yīng)力過(guò)于集中和焊縫處易產(chǎn)生疲勞裂紋的問(wèn)題，工藝可行。

圖2 牽枕緩結(jié)構(gòu)分解圖

緩沖梁在緩沖梁上蓋板型材靠近車鉤座板處開(kāi)操作孔以便進(jìn)行螺母緊固操作，在緩沖梁立板靠近牽引梁處開(kāi)孔排水，并在緩沖梁內(nèi)部，牽引梁右上方焊接緩沖梁防水板。

1.3 枕梁

枕梁由2塊型材拼焊后整體加工而成，其上預(yù)留有牽引拉桿座安裝口、懸吊架安裝座5安裝口。枕梁兩端下方通過(guò)預(yù)留安裝口與車體縱梁焊接固連。此枕梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、焊縫少、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、安裝平面的平面度易于保證、安裝精度高。

1.4 安裝座

安裝座主要由懸吊架安裝座5、牽引拉桿座6、安全鋼索座7和橫向止擋座8組成。

懸吊架安裝座為鍛造件，斷面為梯形上小下大，安裝時(shí)從枕梁型材下穿并在枕梁上下平面結(jié)合處施坡口焊。吊架安裝座強(qiáng)度高，安裝結(jié)構(gòu)可行。牽引拉桿座為鍛造件，整體呈倒F形，焊接固連于牽引梁與枕梁之間。安全鋼索座為鍛造件，焊接固連在枕梁上平面。橫向止擋座為鍛造件，整體呈T形，焊接固連在枕梁兩端。

1.5 轉(zhuǎn)向架連接

牽枕緩結(jié)構(gòu)通過(guò)連接銷將枕梁上懸吊架安裝座與轉(zhuǎn)向架上吊架連接在一起，連接銷與懸吊架安裝座為過(guò)渡配合，與吊架為間隙配合。在懸吊架安裝座旁焊接螺栓座9，用螺栓下穿并頂在連接銷上以此固定連接銷。此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了吊架與車體通過(guò)安裝銷剛性連接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，工藝可行。

2 仿真計(jì)算

根據(jù)EN12663-1:2010標(biāo)準(zhǔn)及懸掛式軌道車輛的運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)懸掛式單軌鋁合金車體進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元仿真分析。在建立計(jì)算模型的過(guò)程中，嚴(yán)格根據(jù)車體結(jié)構(gòu)和焊接連接接口結(jié)構(gòu)，對(duì)不同的焊縫進(jìn)行區(qū)分考核，車體結(jié)構(gòu)的型材采用殼單元進(jìn)行離散，吊掛安裝座等鑄件采用實(shí)體單元進(jìn)行離散。

結(jié)構(gòu)材料在靜態(tài)分析的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如下：1）沒(méi)有永久變形。2）安全系數(shù)為1.15，對(duì)將要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的工況系數(shù)可取1.0；但對(duì)組合載荷（AW3）及所有拉伸壓縮工況，其應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)材料的屈服應(yīng)力。牽枕緩結(jié)構(gòu)中各部位所使用的材料及其對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力如表1所示。

表1 牽枕緩結(jié)構(gòu)所用材料及其屈服強(qiáng)度

在整車仿真計(jì)算所有靜強(qiáng)度工況中牽枕緩結(jié)構(gòu)僅在AW3狀態(tài)200 kN拉伸、200 kN壓縮2個(gè)工況中出現(xiàn)最大應(yīng)力點(diǎn)，應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示，應(yīng)力值均小于相應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度，以及相應(yīng)工況對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，如表2所示。

圖3 AW3狀態(tài)200 kN拉伸工況車體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖4 AW3狀態(tài)200 kN壓縮工況車體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表2 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

根據(jù)仿真分析結(jié)果，牽枕緩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足EN12663-1:201標(biāo)準(zhǔn)和總體技術(shù)要求。在后續(xù)的樣件試制過(guò)程中結(jié)構(gòu)工藝性也得到驗(yàn)證，輕量化優(yōu)勢(shì)明顯，樣件如圖5所示。

圖5 牽枕緩結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)懸掛式單軌列車牽枕緩結(jié)構(gòu)的技術(shù)需求和結(jié)構(gòu)要求研究一種新型的牽枕緩結(jié)構(gòu)。創(chuàng)新性地提出車體前端梁和牽引梁一體式結(jié)構(gòu)、緩沖梁折彎型材和板材拼焊結(jié)構(gòu)及新形式的安裝座設(shè)計(jì)，在滿足車輛設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量，提高了制造工藝性。