一種勵板輕軌車輛用彈住車輪的設計研究與仿真分析

周勤 劉暉霞 李鴻浩

摘要：本文介紹了一種低地板輕軌車輛用彈性車輪的研究與仿真分析，通過ANSYS軟件，采用有限元分析方法對該彈性車輪進行了強度仿真分析計算，主要對輪箍、輪心、壓環的靜強度和疲勞強度進行了仿真分析。

關鍵詞：彈性車輪;設計;仿真分析;強度;計算

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0139-02

低地板輕軌車輛的地板面高度通常為350mm （高地板為900?1000mm），需要降低地板高度來適應低地板的要求。降低地板高度的障礙不是車輪而是車軸，因此低地板車輛不能用常規車軸及輪對，必須把車軸做成下凹的U形，以降低中間通道的地板高度，在U形車軸兩端的短軸上裝獨立回轉的車輪組成輪對，運行時車軸不轉動，兩車輪可以以不同的轉速轉動，這種結構稱為獨立車輪。在低地板輕軌車輛中獨立車輪一般采用彈性車輪，彈性車輪是轉向架的關鍵部件，直接影響車輛的使用，必須保證彈性車輪在運行過程中安全、可靠，因此需對彈性車輪進行仿真分析、強度計算校核。

1 彈性車輪的結構

彈性車輪的彈性元件多為橡膠件，按橡膠承載方式的不同可分為壓縮型、剪切型和壓剪復合型三種類型，在該低地板輕軌車輛中，彈性車輪采用壓剪復合式結構。

彈性車輪主要由輪箍、輪心、壓環、接地連接線等組成，該低地板車輛用動車及拖車彈性車輪結構如下圖1所示。彈性車輪利用橡膠來吸收高頻振動、緩和沖擊，降低噪聲并改善輪軌的摩擦。通過在輪箍、輪心間嵌入橡膠，能有效的減少輪對的簧下質量，降低輪軌間的垂向沖擊加速度;通過橡膠的彈性變形，使車輛通過曲線和道岔時輪緣和鋼軌的摩擦力大大降低，改善輪緣的磨耗。

1.1 輪箍

在車輛運行中，與軌道直接接觸的是彈性車輪輪箍，參考國內外彈性車輪的成功應用經驗，考慮輪軌硬度匹配，即軌輪硬度比值為0.96?1.06和0.99?1.10等綜合因素，輪箍材料選擇UIC810-1V中的B6T，其機械性能參數見表1。

1.2 輪心

整體輾鋼車輪中比較常用的材料是EN 13262中的ER8、ER9等，標準中規定ER9材質的車輪，輻板上的屈服強度應至少比輪輞的屈服強度少130MPa。彈性車輪的輪箍相當于整體輪的輪輞，輪心相當于整體輪的輻板和輪轂，前面所選材料B6T的機械性能等同于ER9，因此，根據輻板屈服強度應至少比輪輞少130MPa這一原則，在該項目中輪芯材質可選用GB-T699中的C45+QT，其機械性能參數見表2。

1.3 壓環

壓環可選擇機械性能略高于輪芯的材質。在該項目中，壓環的材質選用EN 10083-3中的25CrMo4+QT，其機械性能參數見表3。

2 彈性車輪的強度仿真分析

2.1 彈性車輪有限元模型

彈性車輪的有限元模型如圖2所示，輪箍、輪心、橡膠件及壓環均采用四面體網格單元。由于無橡膠件的具體參數，因此實際計算時根據車輪進行靜強度試驗時得到的剛度按線性材料剛度進行近似處理。

2.2 彈性車輪計算工況

本次計算主要依據UIC510-5《整體車輪的技術檢驗》和EN13979中的載荷分配方法進行計算，分為在平直軌道上行駛、在曲線軌道上行駛和通過道岔三種工況進行計算。各工況下載荷作用如圖3所示。

其中：Q：車輪每一車輪作用在鋼軌上的質量載荷（KN）;Fz：垂向作用力（kN）;Fy：每個車輪的橫向作用力（kN）;

工況1：（在平直道上行駛）L₁=57mm，F_z1=1.25Q。

工況2：（在曲線上行駛）L₂=25mm，F_z2=1.25， F_y2=0.7Q。

工況3：（通過道岔） L₃=92mm，F_Z3=1.25Q，F_y3=0.42Q。

2.3 彈性車輪強度評估

2.3.1 車輪靜強度評定

參照標準“UIC510-5”，車輪靜強度評定標準為：車輪上各點應力不超過材料的彈性極限。輪箍材料暫定為B6T，其彈性極限為580Mpa ;輪心材料選用C45+QT，其彈性極限為415Mpa （GB/699）;壓環材料選用25OMo4+QT，其彈性極限為 450Mpa。

2.3.2 疲勞強度評定

標準prEN13979-1規定了應力的確定方法，該方法認為車輪在運行中，各點為非對稱循環，其破壞型式由最大主應力方向的應力造成。由此，通過模型節點的應力分布信息，確定每個節點在不同載荷工況作用下的最大主應力和和最小主應力值。按下式計算平均應力、應力幅和極限應力。計算出的極限應力Act范圍應當低于允許應力。

平均應力：

;應力幅值：

;極限應力：

3 計算結果

3.1 車輪靜強度

3.1.1 拖車彈性車輪靜強度

直線、曲線和道岔三種工況下拖車輪心的von_Mises應力云圖，最大應力分別為187MPa、236MPa、200MPa;拖車壓環的von_Mises應力云圖，最大應力分別為270MPa、268MPa、281MPa;拖車輪箍的von_Mises應力云圖（除載荷加載區域外，三種工況下的von_Mises應力均未超過材料的許用應力415MPa）。

由計算可知，在直線、曲線和道岔三種工況下拖車彈性車輪各部件的最大von_Mises應力均未超過材料的許用應力，因此，拖車車輪各部件靜強度均滿足要求。

3.1.2 動車彈性車輪靜強度

直線、曲線和道岔三種工況下動車輪心的von_Mises應力云圖，最大應力分別為185MPa、230MPa、242MPa;動車壓環的von_Mises應力云圖，最大應力分別為264MPa、265MPa、262MPa ;動車輪箍的von_Mises應力云圖。

由計算可知，在三種工況下動車彈性車輪各部件的最大von_Mises應力均未超過材料的許用應力。因此，動車車輪各部件靜強度均滿足要求。

3.2 車輪疲勞強度

由于輪箍厚度在運行過程中始終在變化且一般對于車輪疲勞強度的校核一般不包含輪轂部分。因此對彈性車輪部件的疲勞強度的核算只包含壓環和輪心。

將拖車和動車車輪輪心、壓環上各節點的應力幅和平均應力繪入Goodman疲勞曲線內如圖4所示，拖車和動車車輪輪心、壓環上各節點均落在Goodman疲勞曲線內，因此可知，拖車和動車車輪輪心、壓環滿足疲勞強度要求。

4 結語

本文根據UIC510-5《整體車輪的技術檢驗》和EN13979中的載荷分配方法確定了彈性車輪輪轂、輪心及壓環的直線、曲線和道岔三種計算工況，通過ANSYS仿真分析，對動車及拖車彈性車輪輪轂、輪心及壓環進行了強度計算，滿足低地板輕軌車輛運用要求。

參考文獻

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