懸掛式單軌車輛搖枕強度分析

戴鑫亮 王伯銘

(西南交通大學機械工程學院，610031，成都//第一作者，碩士研究生)

搖枕作為懸掛式單軌轉向架的重要組成元件之一，是整個轉向架的主要承載件。其功能包括傳遞車體與轉向架之間的橫向力、縱向力和垂向力，提供二系懸掛元件的安裝位置，以及限制車體與轉向架的相對擺角等。搖枕可靠性的高低對整車的安全性以及平穩性有較大影響。目前，與懸掛式單軌相關的標準、規范尚未成型，本文以EN 13749、UIC 515標準為基礎，結合懸掛式單軌轉向架在實際運用過程中的特性，推演出懸掛式單軌轉向架搖枕的載荷工況，用于其靜強度以及疲勞強度的分析。

1 搖枕有限元模型建立

搖枕整體結構主要由薄板與中心實體部分焊接而成，通過UG軟件建立其三維模型(見圖1)，將其幾何外形導入Hypermesh軟件中進行有限元前處理。在建立搖枕有限元模型時采用2D殼單元對搖枕薄板進行劃分，對于搖枕中部實體部分采用3D實體單元進行網格劃分。整個有限元模型(見圖2)共使用S4R單元171 061個，C3D4單元142 632個，Beam單元32個。

圖1 搖枕結構三維模型

圖2 搖枕有限元模型

2 載荷及邊界條件確定

本文根據EN 13749以及UIC 515相關規定，在計算懸掛式單軌轉向架搖枕時主要考慮其所承受的橫向力、縱向力、垂向力，以及側風等4項基本載荷，并且加入減振器、抗側滾扭桿，以及空氣彈簧輔助氣室內壓等附加載荷。計算過程中各個變量的含義如表1所示。

表1 變量含義說明

搖枕整體為對稱結構，中部設有可沿x軸旋轉的承載銷，承載銷限定了搖枕沿x、y、z方向的平動，以及沿y、z方向的轉動。為限制搖枕沿x方向的轉角，搖枕中心上表面設有搖擺止擋。垂向力作用在搖枕上空氣彈簧座位置，縱向力作用在牽引拉桿安裝座上，而橫向力較小時主要作用于空氣彈簧，當橫向力較大時由空氣彈簧和橫向止擋共同承擔。圖3為搖枕邊界條件。

注：1——空氣彈簧安裝座；2——橫向止擋；3——牽引拉桿安裝座；4——搖擺止擋(安裝于中心銷上)；5——承載銷

3 搖枕工況組合

搖枕的工況組合主要考慮在超常工況下的基本載荷與附加載荷的組合，以及運營工況下的基本載荷與附加載荷的組合。

3.1 基本載荷工況組合

基本載荷工況主要包含搖枕所受橫向力、垂向力、縱向力以及側風。由于需考慮車體因側滾和沉浮而導致的搖枕兩側空氣彈簧受力不一致，所以將垂向力及其對應的橫向力進行關聯組合。

根據UIC 515-4所規定，基本載荷組合共有12種工況(見表2)。對于超常工況，垂向載荷Fz=Fe，z，橫向載荷Fy=Fe，y，縱向載荷Fx=Fe，x，Fw=Fe，w；對于運營工況，Fz=Fn，z，Fy=Fn，y，Fx=Fn，x，Fw=Fn，w。設置縱向載荷Fx在列車起動時為正，在列車制動時為負。

表2 基本載荷工況

3.2 附加載荷工況

附加載荷主要包括抗側滾扭桿、減振器載荷，以及空氣彈簧輔助氣室的內壓，其組合工況為：工況1=Fa,z+Fa,b+Pa,s，工況2=Fa,t+Fa,z+a,y+Fa,b+Pa,s,工況3=-Fa,t+Fa,z-Fa,y-Fa,b+Pa,s。其中，Fa,t為斜置減振器載荷，Fa,z為垂向減振器載荷，Fa,y為橫向減振器載荷，Pa,s為空氣彈簧輔助氣室內壓(超常工況時取值為0.55 MPa，運營工況時取值為0.52 MPa)。

3.3 模擬超常工況

超常工況是指列車在運用過程中可能會出現但出現概率很低的工況，對于超常工況需保證材料所受應力不超過其屈服極限以防止發生永久變形。

本文通過對基本載荷和附加載荷進行組合共得12種工況，表3列出了其中的6種工況。EN 13749靜強度試驗標準規定，對于地鐵、輕軌等軌道交通制式，超常工況通常出現在列車通過曲線和道岔時。由于懸掛式單軌通過道岔的機理與傳統的輪軌接觸不同，故本文僅考慮列車通過曲線時的超常載荷。

3.4 模擬運營工況

根據EN 13749標準規定，運營工況需考慮列車通過直線、道岔以及曲線時的受力情況，考慮到懸掛式單軌的道岔通過形式與傳統輪軌接觸不同，所以在本文中僅對曲線和直線工況進行考慮。通過對基本載荷和附加載荷進行組合，本文共得到49種運營工況，表4中列出了其中的12種組合工況。

表3 部分超常載荷工況

表4 部分運營載荷工況

4 計算結果與分析

4.1 靜強度計算結果

根據第四強度理論，通過大型有限元計算軟件ABAQUS計算分析得，在模擬超常載荷工況下，Top面應力最大值出現在工況10和工況12，其最大值均為177.6 MPa；最大應力點出現的位置如圖4所示。Bottom面應力最大值出現在工況6和工況8，其最大值均為151.2 MPa，最大應力點出現位置如圖5所示。懸掛式單軌轉向架搖枕材料為Q345低合金高強度鋼，根據UIC 515-4規定，對于超常運營工況，材料許用應力為314 MPa[1]。

在運營載荷工況下，Top面最大應力值出現在工況44、45，其值均為164.7 MPa，其應力最大點出現位置如圖6所示。Bottom面最大應力值出現在工況48、49，其值均為143.6 MPa，其應力最大點出現位置如圖 7 所示。根據UIC 515-4規定，超常運營工況下Q 345的許用應力為216 MPa[1]。

a) 工況10

b) 工況12

a) 工況6

b) 工況8

a) 超常工況44

b) 超常工況45

對于超常載荷工況與運營載荷工況，搖枕結構均能滿足強度要求。由于搖枕整體結構沿y方向對稱，在不同載荷的組合結果中需考慮對稱加載的問題，因此，搖枕的最大應力出現位置也呈現出對稱的趨勢。其應力最大值均出現在搖枕內部加強筋與下底板的焊接位置，從搖枕整體的設計結構來看這種結果是合理的。

a) 工況48

b) 工況49

4.2 疲勞強度分析

通過靜強度的分析結果可知，搖枕受力較大位置出現在內部加強筋與下底板的焊縫處，因此，本文在疲勞強度分析中提取了搖枕內部加強筋與上蓋板、下底板焊縫處的節點，采用ERRI B12/RP17報告中提出的基于疲勞裂紋拓展方向與最大主應力方向垂直的原理進行分析。其主要方法為計算各個工況下節點的最大應力σmax、最小應力σmin和平均應力σm，利用Simth形式修正的Goodman疲勞極限圖對其進行疲勞判定[3]。

搖枕Bottom面與Top面的Goodman疲勞極限圖如圖8所示。根據計算結果可知，無論是搖枕的Bottom面還是Top面，其節點平均主應力，以及最大和最小主應力均落在對接焊縫的包絡線內，因此該搖枕加強筋處焊縫滿足疲勞強度要求。

5 結語

懸掛式單軌轉向架結構具有多樣性，目前我國并沒有針對懸掛式單軌制定出相關的強度計算標準。本文參照UIC 515以及EN 13749標準中對于輕軌、有軌電車的相關規定對懸掛式單軌搖枕進行了強度分析，其靜強度、疲勞強度均滿足相關要求。但是，由于懸掛式單軌不同于傳統城市軌道交通制式，所以需研究、分析傳統標準中的部分數值是否適用于懸掛式單軌，并且建立出一套適用于懸掛式單軌的強度計算標準。

a) 搖枕Bottom面

b) 搖枕Top面