膠輪導軌電車走行部結構強度評定方法研究

孫珉堂， 李梁京， 趙峰強， 粘世昌， 李 芾

(1 中車四方車輛有限公司， 山東青島 266111；2 西南交通大學 機車車輛工程系， 成都 610031)

隨著經濟的快速發展，城市人口迅速增加，城市擁堵與大氣污染問題變得日益嚴重。國內很多大城市借鑒世界其他發達國家的經驗開始興建立體化的軌道交通系統，以解決日趨嚴重的交通問題。目前，城市軌道交通系統主要分為使用鋼輪-鋼軌的有軌電車、地鐵及使用膠輪的自導向電車。但是采用鋼輪鋼軌走行模式的有軌電車在鋼軌上行駛時產生振動和噪聲，對周圍環境的影響已成為限制城市軌道交通發展的突出問題之一[1]。而自導向膠輪電車，具有比地鐵投資小、噪聲小、工期短，污染小的優點，且對道路要求較低在國內得到迅速發展[2]。

膠輪導軌電車作為自導向膠輪電車的一種，在國內上海張江、天津濱海新區成功運行[3-4]。但是由于該類車輛在國內為首次研發，其車輛結構又介于鐵路車輛和公路車輛兩者之間，其走行部結構強度沒有相應的評價標準，綜合現行鐵路車輛，提出了用于膠輪導軌電車走行部的結構強度評價方法，并針對設計的膠輪導軌車輛進行強度校核。

1 膠輪導軌電車介紹

膠輪導軌電車走行部分為動力走行部和非動力走行部兩種。動力走行部如圖2(a)所示，主要由動力軸橋和導向裝置組成。拖動走行部如圖2(b)所示，主要由承載軸橋和導向機構組成，結構相對簡單。

圖1 導軌電車編組圖

圖2 走行部

2 車輛模型

相比非動力走行部，動力走行部結構更為復雜且承受載荷更大，在分析中以動力走行部為例。動力走行部承載結構采用鋼板組焊而成的箱型梁，上端上蓋板區安裝空氣彈簧，為垂向載荷輸入位置，同時布置垂向液壓減振器，下端與軸橋組焊，將車體垂向載荷傳遞至軸橋。基于ANSYS軟件，對各分析結構進行三維實體建模，采用高精度10節點二階四面體單元Solid92進行網格離散。動力走行部承載構架及導向連桿系統實體模型及有限元網格離散模型如圖3～圖6所示。

圖3 走行部承載構架實體模型

圖4 走行部承載構架有限元模型

圖5 導向連桿系統實體模型

3 計算載荷及工況

參考鐵道車輛走行部的結構強度評定方法TB/T 2637《鐵道客車轉向架構架、搖枕及搖動臺》標準，該車走行部各承載結構的強度計算可考慮兩類載荷：超常載荷和正常運營載荷。其中，前者代表走行部在運用壽命期間極少出現的極值載荷；后者代表走行部在正常運營條件下經常出現的數值中等的載荷。相應地，計算載荷工況也分為兩類：超常載荷工況和正常運營載荷工況。由圖2可知，走行部結構主要包括兩部分：汽車軸橋和導向機構，因此走行部設計計算載荷可參照相關汽車和鐵道車輛設計標準進行確定。

圖6 導向連桿系統有限元計算模型

3.1 超常載荷

3.1.1軸橋評定載荷

垂向載荷：根據參考文獻《汽車設計》[6]，汽車軸橋除承受靜態載荷外，還承受附加的沖擊載荷，該車軸橋動載荷系數可取2.5，因此最大垂向載荷為滿載載荷的2.5倍。

橫向載荷：主要考慮車輛通過曲線時離心力導致的側向力載荷，此時車輛處于側滑的臨界狀態，最大側向力載荷即地面給輪胎的側向附著力。

第2次手術時間（118.53±42.62）min，出血量（85.61±30.83）ml；后路選擇性減壓4例，神經根癥狀消失，術后傷口愈合好，沒有出現并發癥。

縱向載荷：主要考慮電車最大啟動牽引力或緊急制動產生的載荷；軸橋與導向機構連接部位考慮導向機構產生的最大5g加速度沖擊載荷；

3.1.2導向機構評定載荷

導向機構載荷主要考慮驅動輪胎轉向產生的導向力載荷和導向機構安裝部位的沖擊載荷。超常載荷分別為車輛運行時最大導向力和最大5g加速度沖擊載荷。

根據線路試驗可知最大導向力載荷為10 kN。

3.2 運營載荷

3.2.1軸橋評定載荷

軸橋運營載荷主要考慮車輛正常運營工況所產生的載荷。

垂向載荷：車輛運行對軸橋產生的垂向載荷。

縱向載荷：車輛運行所需的持續牽引力。

3.2.2導向機構評定載荷

根據線路試驗和動力學計算結果可知，車輛正常運行過程中產生的導向力為6 kN，因此導向機構運行載荷取6 kN。

4 強度評定方法

4.1 靜強度評定準則

在超常載荷工況作用下，結構不應發生可測量到的整體結構永久變形，其意味著結構危險截面應力不應超過材料的屈服強度。各類焊縫的疲勞許用應力均保守采用ERRI B12/RP17給出的數值。但對于使用塑性材料制造的承載結構，應力計算沒有必要考慮所有應力集中，特別是結構局部應力集中。 由于模型在計算時考慮了應力集中效應，運行部分高應力區域的應力值超過材料屈服強度，但應保證屈服強度足夠小從而材料不會產生永久變形。

4.2 疲勞強度評定準則

疲勞載荷的評定參照EN和UIC(國際鐵路聯盟)等設計標準推薦使用的修正Goodman疲勞極限圖進行。結構在各種正常運營載荷工況作用下，按最不利組合方式確定出的動應力，應小于制造材質相應的疲勞許用應力。其中，確定承載鋼結構各部位動應力的方法和步驟為：

基于結構有限元應力分析技術，分別計算承載鋼結構在各種正常運營載荷工況作用下的應力分布結果；

對結構任意部位，首先確定其在各載荷工況下的主應力值，然后取結果值中最大的主應力值為該部位動應力的最大應力σmax， 其余工況向最大應力方向投影。

使用式(1)將其他載荷工況下的各向應力投影至最大應力σmax作用方向，并取投影值中最小者為該部位動應力的最小應力σmin；

(1)

式中：σch,i為第i載荷工況下各向應力沿最大應力σmax作用方向投影應力值；

σxx,i、σyy,i、σzz,i為第i載荷工況下的三向正應力值；

σxy,i、σxz,i、σyz,i為第i載荷工況下的三向剪應力值。

使用式(2)計算出該部位其他動應力參量：

(2)

式中：σm為平均應力；σa為應力幅；R為應力比。

按上述方法確定出各部位動應力相關參量后，即可將其與疲勞許用應力進行比較驗證其疲勞強度。本報告中，疲勞許用應力采用EN和UIC(國際鐵路聯盟)等設計標準推薦使用的修正Goodman疲勞極限線圖：將結構各部位的動應力狀態點(σm，σmax)和(σm，σmin)放入對應的修正Goodman疲勞極限線圖內評定。如圖7所示為母材抗拉強度不小于520 MPa的疲勞極限線圖。

5 構架計算結果分析

5.1 靜強度計算結果

按上述載荷工況即評定準則對計算結果進行靜強度評定。結果表明：動力走行部軸橋在所有載荷工況作用下，應力均小于制造材質的許用應力，滿足靜強度評定要求。最大載荷工況下動力走行部承載構架及導向連桿系統有限元模型計算結果如圖8、圖9所示。

圖7 角焊縫修正Goodman疲勞極限線圖

圖8 動力走行部軸橋靜強度計算結果

圖9 導向連桿系統靜強度計算結果

5.2 疲勞強度計算結果

使用圖5所示疲勞極限線圖評定動力走行部軸橋及導向連桿系統疲勞強度性能。計算和分析結果表明，動力走行部承載構架組焊梁各焊縫接頭部位及導向連桿系統動應力均位于角焊縫修正Goodman疲勞極限線圖包絡線內，疲勞強度滿足評定要求。其動應力校核結果如圖10所示。

6 結 論

依據鐵道車輛標準TB/T 2637及相關汽車車輛標準，結合膠輪導軌電車走行部的受力特性及運行特性提出，在理論上為膠輪導軌電車走行部的受力計算提供了設計依據，其實用性可通過線路試驗進一步進行驗證。

圖10 動應力校核結果