基于縱坡路況下的中低速磁懸浮轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)分析

徐浩然，崔建昆，王仲偉，宋亞楠，吳開宏

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093；2.上海航發(fā)機(jī)械有限公司，上海201906）

0 引 言

作為21世紀(jì)的新型軌道交通，中低速磁懸浮列車有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，比如爬坡能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)彎半徑小，無污染，運(yùn)行安全系數(shù)高等。

中低速磁懸浮列車在結(jié)構(gòu)上主要由車體、轉(zhuǎn)向架、控制系統(tǒng)三部分組成。轉(zhuǎn)向架是整個(gè)磁浮列車最重要的部分，其性能的好壞將直接影響到磁浮列車的安全性與舒適性，也對(duì)整個(gè)列車的運(yùn)行性能起到至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)轉(zhuǎn)向架的強(qiáng)度計(jì)算分析是必須開展的工作。目前大多數(shù)研究主要集中在對(duì)中低速磁浮列車轉(zhuǎn)向架四個(gè)典型工況（即懸浮、剎車、停車和突然斷電）和彎道工況下的強(qiáng)度分析，如楊磊、趙志蘇［1］利用有限元分析軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架在四種典型工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)意見。然而，作為未來最有前景的交通工具，中低速磁懸浮列車將面臨更大的挑戰(zhàn)，這就要求磁浮列車能夠滿足更加惡劣的運(yùn)行環(huán)境和更加復(fù)雜的路況。

我國(guó)中低速磁懸浮采用吸力型的懸浮方式，使車載電磁鐵與軌道在垂直方向的懸浮距離保持在8 mm左右，通過一套閉環(huán)系統(tǒng)來調(diào)整電磁力的大小，從而保持穩(wěn)定的懸浮距離。然而磁浮列車在爬坡過程中，車體的重量不僅由空氣彈簧支撐，還有一部分由縱向拉桿支撐，轉(zhuǎn)向架的受力較為復(fù)雜，使得轉(zhuǎn)向架的受力與在水平軌道上運(yùn)行有巨大的差異。為此，本文采用pro／e軟件對(duì)新型中低速磁浮轉(zhuǎn)向架進(jìn)行建模，并利用ansys workbench分析軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架在爬坡過程中的特殊工況進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 有限元模型的建立

1.1 轉(zhuǎn)向架實(shí)體的建模

轉(zhuǎn)向架主要是由直線電機(jī)主梁、托臂、防側(cè)滾梁、綜合支架體、電磁鐵托臂連接件等組成。托臂和電磁鐵托臂連接件采用ZL101A鋁合金材料，直線電機(jī)主梁和直線電機(jī)梁連接法蘭采用6005A鋁合金材料，綜合支架體采用ZL201A鋁合金材料，它們之間均用螺釘、螺栓等緊固件連接。車體通過二系彈簧結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向架連接，以支撐車體并傳遞橫向力和縱向力，如圖1所示為單個(gè)轉(zhuǎn)向架的三維模型。

在三維建模的過程中，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，將螺栓連接部分簡(jiǎn)化為剛性連接［2］，由于轉(zhuǎn)向架左右對(duì)稱，在有限元分析里，取轉(zhuǎn)向架的一半進(jìn)行分析，并忽略對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的駐車滑撬、液壓支撐輪［3］。

1.2 材料參數(shù)

轉(zhuǎn)向架主要采用ZL101A鋁合金、6005A鋁合金材料，材料的性能參數(shù)見表1所示。

1.3 建立有限元模型

將在pro／e里建立的轉(zhuǎn)向架模型另存為igs格式，并利用無縫對(duì)接技術(shù)導(dǎo)入ansysworkbench分析軟件［4］中，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)模型被劃分成315 280個(gè)節(jié)點(diǎn)，164 062個(gè)單元格，其有限元模型如圖2所示。

圖1 中低速磁懸浮轉(zhuǎn)向架三維模型

表1 材料性能參數(shù)

圖2 轉(zhuǎn)向架有限元模型

2 受力分析與邊界條件分析

2.1 車體載荷和運(yùn)行工況

由于目前尚沒有關(guān)于磁懸浮轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度分析的理論標(biāo)準(zhǔn)，本文將根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行狀況和參考文獻(xiàn)［5］對(duì)轉(zhuǎn)向架在坡道運(yùn)行時(shí)的各個(gè)工況進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析。

由于在磁浮車運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)向架與車體之間的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，基于以下兩種假設(shè)進(jìn)行理論計(jì)算［6］。

（1）忽略車體地板線性滑槽與滑臺(tái)上線性軸承之間的摩擦力。

（2）假設(shè)縱向拉桿和橫向拉桿以及彈簧之間的受力互相不影響，高度調(diào)節(jié)閥能夠很好地調(diào)節(jié)空氣彈簧的高度使車體與轉(zhuǎn)向架的高度保持不變。

基于這兩種假設(shè)對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)向架坡道上運(yùn)行工況及橫向風(fēng)載進(jìn)行受力分析，如圖3所示，并建立平衡方程。

圖3 車體受力分析

式中，G為1／5車體重量和滿載重量；W為作用在車體重心的橫向風(fēng)力；m為空氣彈簧的中心的橫向距離；l為空氣彈簧的中心的縱向距離。

根據(jù)靜力學(xué)方程（1），并假定車輛在運(yùn)行過程中受到10級(jí)的橫向風(fēng)，斜坡角度為7°，其它參數(shù)依據(jù)某線中低速磁浮列車的真實(shí)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明背風(fēng)側(cè)的空氣彈簧受到的垂向力比迎風(fēng)側(cè)受到的垂向力大的多。

2.2 工況及載荷

車體底板下的四個(gè)空氣彈簧分別用A、B、C、D表示，如圖3表示。

（1）工況一：車輛在斜坡上行駛，不受橫向風(fēng)載。

轉(zhuǎn)向架承受自重、車體重量和車輛載重。由于車體下有五個(gè)轉(zhuǎn)向架聯(lián)接，在正常行駛情況下，車體不發(fā)生傾斜，左右轉(zhuǎn)向架受力相同，因此研究一個(gè)轉(zhuǎn)向架即可。根據(jù)實(shí)際情況，該轉(zhuǎn)向架模型所受車體重量為1 030 kg、承受車輛載重為1 000 kg。由于在斜坡上運(yùn)行，車輛的自重和載重分別由空氣彈簧和縱向拉桿傳遞到轉(zhuǎn)向架上。

（2）工況二：車輛在斜坡上正常行駛，受橫向風(fēng)載的影響。

轉(zhuǎn)向架所受自重、車體重量和車輛載重與工況一相同，但是由于車體在行駛過程中受橫向風(fēng)載，車體在一定程度上發(fā)生了傾斜，由理論計(jì)算結(jié)果可知，左右轉(zhuǎn)向架受到的垂向力不同，同時(shí)除了縱向拉桿受力以外，橫向拉桿也會(huì)受力來限制車體的傾斜。

2.3 施加載荷和約束

對(duì)于工況一，車體自重和載重的垂向分力加載在托臂的空氣彈簧槽里，縱向分力加載在縱向拉桿支座上，對(duì)電磁鐵連接件的上表面釋放行駛方向的自由度，約束其他自由度，如圖4所示。

對(duì)于工況二，車體自重和載重的垂向分力加載在托臂的空氣彈簧槽里，縱向分力加載在縱向拉桿支座上，由于受到橫風(fēng)的影響，車體發(fā)生側(cè)翻，導(dǎo)致左右轉(zhuǎn)向架的受力不同，同時(shí)由于側(cè)向風(fēng)的影響，橫向拉桿支座也將受力，對(duì)電磁鐵連接件的上表面釋放行駛方向的自由度，約束其他自由度，其左右轉(zhuǎn)向架的載荷和約束如圖5、6所示。

圖4 工況一載荷和約束的施加

圖5 工況二背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)向架載荷和約束的施加

圖6 工況二迎風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)向架載荷和約束的施加

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 靜剛度分析

磁懸浮列車在運(yùn)行過程中，由控制系統(tǒng)控制磁鐵和軌道之間的間隙，因此轉(zhuǎn)向架在垂直方向的剛度對(duì)懸浮性能的影響最大，兩種工況下轉(zhuǎn)向架在垂直方向的位移等值線圖如圖7-9所示。

圖7 兩種工況下轉(zhuǎn)向架垂直方向的位移等值線圖

根據(jù)分析，在工況一和工況二，轉(zhuǎn)向架在垂直方向上的最大變形均在橫向拉桿支座上，同時(shí)由計(jì)算結(jié)果可知，背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)向架的橫向拉桿支座變形量最大，為0.58828 mm。轉(zhuǎn)向架的這種微小變形對(duì)懸浮間隙的影響不大，因此剛度滿足要求。

3.2 強(qiáng)度分析

由材料力學(xué)［7］可知，對(duì)于鋼、銅、鋁等塑性材料，可以根據(jù)第四強(qiáng)度理論，用Von Mises等效應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。在有側(cè)向風(fēng)和無側(cè)向風(fēng)兩種工況下，轉(zhuǎn)向架的Von Mises等效應(yīng)力云圖如圖8所示。

根據(jù)圖8兩種工況下的應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架在斜坡上運(yùn)行時(shí)，其最大應(yīng)力發(fā)生在空氣彈簧下側(cè)的加強(qiáng)筋上，在背風(fēng)側(cè)達(dá)到最大值29.018 Mpa，小于材料的許用應(yīng)力，均在安全范圍內(nèi)。

空氣彈簧槽下方的加強(qiáng)筋是該結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱之處，作為支撐車體最重要的部分，應(yīng)當(dāng)增加該處加強(qiáng)筋的厚度。

4 結(jié)束語

本文在介紹了新型五轉(zhuǎn)向架磁懸浮列車的基礎(chǔ)上，著重分析了轉(zhuǎn)向架在有橫風(fēng)和無橫風(fēng)的影響下結(jié)構(gòu)的可靠性，并且第一次通過理論分析得到空氣彈簧在兩種工況下的垂向力，最后通過有限元分析結(jié)果表明，為該車設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向架在機(jī)械性能方面滿足要求。轉(zhuǎn)向架在兩種工況下，剛度和應(yīng)力方面表現(xiàn)出較大的差異。在背風(fēng)側(cè)，轉(zhuǎn)向架的變形和應(yīng)力要比不受橫向風(fēng)時(shí)的變形和應(yīng)力大。

圖8 兩種工況下轉(zhuǎn)向架等效應(yīng)力云圖

磁懸浮作為一種新型的軌道交通，其運(yùn)用前景非常美好，但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，其運(yùn)行工況非常復(fù)雜，因此轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。綜合各方面因素，使整個(gè)轉(zhuǎn)向架的應(yīng)力分布更加的合理，從而提高材料的利用率。

［1］楊 磊，趙志蘇.磁懸浮列車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析［J］.機(jī)械，2004，31（2）：13-15.

［2］周 益，劉 放，李 飛，等.運(yùn)用SolidWorks和ANSYS的磁浮列車懸浮架結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2012，8：17-20.

［3］李萬莉，嚴(yán) 俊，朱福民.新型軌道運(yùn)料車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)分析［J］.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，12（4）：336-341.

［4］劉 江，李萬全，高長(zhǎng)銀，等.ANSYS 14.5Workbench機(jī)械仿真實(shí)例詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

［5］TB／T1335-1996，鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)［S］.1996.

［6］尹力明，趙志蘇.空氣彈簧在磁懸浮列車上的應(yīng)用研究［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2002，5：29-52.

［7］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2007.