中低速磁浮列車懸浮架靜強度研究

魏敬敬

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410000）

中低速磁懸浮是城市軌道交通中的先進技術。它具有環保、安全性高、爬坡能力強、轉彎半徑小、建設成本低等優點。懸浮架作為磁懸浮列車核心部件，是磁懸浮列車中其他部分的安裝基礎，在懸浮架布置與其上安裝部件的接口，起到支撐車體并傳遞懸浮、導向、牽引與制動力的機械結構裝置，并具有機械解耦適應軌道曲線與不平順公差的作用。其強度和剛度對磁浮列車的安全性、穩定性、使用壽命等起著至關重要的作用。本文主要針對中低速磁浮列車懸浮架進行研究。本項目磁懸浮列車共由3列車組成，其中包括兩列Mc車，一列M車，支撐一列機車的為五懸浮架結構。其中空車狀態Mc車的載荷較大，AW2、AW3狀態M車載荷較大，故本文件模擬不同工況時選擇的研究對象會有不同（選擇承受較大載荷的車體懸浮架作為研究對象），這樣符合最惡劣工況、最大應力的要求。另外，五懸浮架的每個懸浮架受力基本相同，單個懸浮架受力可由五懸浮架受力除以5求得，故以單個懸浮架作為研究對象同樣符合試驗條件要求。考慮到空間、成本等問題采用單個懸浮架作為研究對象。單懸浮架結構如下圖所示：

圖1 單懸浮架結構圖

1.載荷與工況分析

1.1 載荷分析

懸浮架通過空氣彈簧支撐車體，列車實際運行中，共有AW0，AW1，AW2，AW3四種載荷情況。根據這四種載荷情況進行分析計算，以最惡劣情況進行分析。對20種工況分析進行分析計算。將懸浮架的受力情況分為垂向、縱向、橫向載荷表。不同的載荷用不同的代號表示，具體如下表所示。

表1 懸浮架垂向載荷表

表2 懸浮架縱向載荷表

表3 懸浮架橫向載荷表

1.2 工況分析

根據T/CAMET 08003-2018 中低速磁浮交通車輛懸浮架通用技術條件 中規定，為分析方便，按照列車支撐方式進行分類，則有以下20種試驗工況，如下表所示：

表4 懸浮架工況列表

2.計算過程

2.1 邊界條件

通過分析懸浮架的實際工況，三種支撐方式分別對應不同的約束方式。將落車狀態的約束擬定在垂向滑撬與F軌的接觸面，懸浮狀態的約束擬定在懸浮電磁鐵的8個線圈中心，將支撐輪支撐狀態的約束擬定在支撐輪與托臂的安裝平面上。垂向載荷加在裝空氣彈簧的凹坑，縱向載荷加在牽引桿處的銷孔處，橫向載荷加在空氣彈簧處。

2.2 材料參數

懸浮架主要承載模塊托臂、托臂連接件、縱梁采用鋁合金，片梁安裝座采用鑄不銹鋼，安全系數根據EN136633，屈服強度校核時取1.15，具體參數如下表所示。

表5 材料的許用應力值

各個主要受力模型單元材料性能參數如下：

名稱 材料 密度/Kg/m3 彈性模量/Mp 泊松比 縱梁 6061-T6 2700 7．3X104 0．33托臂左/右 ZL204A-T5 2800 7．3X104 0．33片梁安裝座左/右 ZG07Cr19Ni9 7800 2．1X105 0．30片梁 6061-T6 2700 7．3X104 0．33

2.3 建立有限元模型

采用有限元技術對結構進行仿真計算分析。首先是建立一個好的計算力學模型，才能準確地計算結構在外載荷作用下所產生的內力效應。在本次仿真計算中, 為了更好地模擬懸浮架結構，根據懸浮架的不同結構形式，采用不同的單元。為了能較好地模擬螺栓連接，減小計算時的應力集中，采用梁單元模擬螺栓，在螺栓的兩端使用約束方程來模擬螺栓與零件的連接。最后建立出懸浮架離散模型，其單元與節點數如下圖所示：

圖2 懸浮架有限元模型圖

2.4 計算結果

計算出懸浮架的等效應力與位移，以第1種工況為例，如下圖所示：

圖3 懸浮架等效應力圖

圖4 懸浮架位移圖

對20種工況分別進行計算，得出每種工況的應力與位移情況：

工況最大應力（Mp）最大位移(mm)最大應力點 最大位移點1 77．1 0．9 托臂（連接垂向滑撬處） 兩片梁的吊桿安裝處2 68 0．9 托臂（連接垂向滑撬處） 兩片梁的吊桿安裝處3 108．2 1．2 托臂（連接垂向滑撬處） 兩片梁的吊桿安裝處4 121．7 1．4 托臂（連接垂向滑撬處） 兩片梁的吊桿安裝處5 112．5 1．4 托臂（連接垂向滑撬處） 兩片梁的吊桿安裝處6 119 1．5 托臂（連接垂向滑撬處） 兩片梁的吊桿安裝處7 28．7 0．6 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處8 26．8 0．7 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處9 26．9 0．6 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處10 26．8 0．7 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處11 30．9 0．7 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處12 29 0．7 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處13 32．7 0．7 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處14 30．8 0．7 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處15 30．9 0．7 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處16 30．6 0．7 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處17 34．7 0．8 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處18 32．8 0．8 托臂連接件（與托臂連接處） 兩片梁的吊桿安裝處19 56 0．2 托臂（與片梁安裝座連接處）托臂（與托臂連接件連接處）20 91．1 0．3 托臂（與片梁安裝座連接處）托臂（與托臂連接件連接處）

3.結論

第4種工況（落車狀態AW3載荷）條件下，懸浮架應力最大為121.7Mp，出現在托臂的垂向滑橇安裝處，小于許用應力293.7Mp，滿足設計要求；第6種工況（AW3載荷彎道落車+橫向風）條件下，懸浮架變形最大為1.5mm, 位于片梁上。懸浮架各個零部件的剛度強度均能滿足要求，主要零部件出現較大應力的位置如下：托臂，垂向滑撬安裝處，加強筋處，與托臂連接件配合處；縱梁，兩端與托臂連接處，牽引座安裝處；片梁安裝座，與托臂連接處，與片梁連接筋板處；片梁，兩吊桿安裝孔中間處，與片梁安裝座連接處；托臂連接件，與托臂連接處；對比T/CAMET 08003-2018 中低速磁浮交通車輛懸浮架通用技術條件，滿足結構件強度與剛度要求。

4.結語

綜上所述，此結果與材料的力學性能相比，在許用應力范圍之內，設計滿足要求。本次分析為后續懸浮架靜強度試驗提供了理論依據。就懸浮架本身而言，還有很大的改進空間，對結構進行合理優化，以便應力分布更合理，提高材料利用率。