低地板有軌電車整體鍛造軸橋的設(shè)計

李志遠(yuǎn)

（智道鐵路設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

引言

獨(dú)立輪對是100%低地板有軌電車的關(guān)鍵走行部件，而軸橋是其標(biāo)志性結(jié)構(gòu)，不可或缺。隨著鍛造設(shè)備及工藝的不斷升級，對軸橋進(jìn)行整體鍛造成為可能。這一工藝不僅能大幅降低軸橋制造成本，減少自重，更能利用一體鍛造產(chǎn)生的完整金屬流線有效提高其各項機(jī)械性能指標(biāo)，從而保證車輛運(yùn)行安全可靠。該產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)能夠有效助力國內(nèi)低地板車輛的國產(chǎn)化及性能優(yōu)化。

1 低地板有軌電車軸橋概況

具有軸橋這一部件是100%低地板有軌電車與其他低地板有軌電車的最明顯區(qū)別之一。軸橋作為新一代低地板有軌電車輪對的關(guān)鍵零部件，因其具有獨(dú)有的中間下凹結(jié)構(gòu)，真正實現(xiàn)了低地板有軌電車車廂全部地板面距地面高度均≤0.4 m，從而實現(xiàn)了整個車廂貫通式低地板的結(jié)構(gòu)。

通過對國內(nèi)外資料分析匯總，根據(jù)制造工藝的不同，將軸橋分為四種類型，分別是整體鑄造軸橋、分體式軸橋、鑄/鍛焊軸橋以及整體鍛造軸橋（如圖1所示）。國外最先使用的是分體式軸橋，即軸頭與軸身作為兩個不同的零件，通過冷壓或熱壓的方式被壓裝到一起，其優(yōu)點(diǎn)是鍛造難度低，軸頭機(jī)械性能優(yōu)良，缺點(diǎn)是整體重量大，單件重量在0.4 t以上，在輕量化設(shè)計趨勢的今天，已基本被淘汰。與之相比，整體軸橋可以有效降低自重。其中，整體鑄造軸橋與鑄/鍛焊軸橋受限于工藝要求，形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且鑄造件與焊接件的廢品率較高，因此這兩種類型的軸橋制造成本較高。隨著國內(nèi)外鍛造設(shè)備及工藝技術(shù)的不斷提高，軸橋整體鍛造逐漸得以實現(xiàn)。憑借結(jié)構(gòu)簡單、成品率高、機(jī)械性能優(yōu)良、自重低等優(yōu)點(diǎn)，整體鍛造軸橋逐漸成為軸橋行業(yè)的主流產(chǎn)品。

圖1 不同類型軸橋?qū)Ρ?/p>

2 整體鍛造軸橋設(shè)計方案

整體鍛造軸橋由軸頸、軸頭、軸身等部分構(gòu)成，不同部位功能不同。其中，軸頸主要用于壓裝軸承、車輪等，其結(jié)構(gòu)主要取決于軸承、彈性車輪等的安裝要求；軸頭與軸身作為軸橋U形結(jié)構(gòu)的主體部分，其設(shè)計最主要的要求是在滿足下凹的同時，提供足夠的軸重承載能力。同時，軸頭也是軸橋最重的部位，為此，其整體形狀應(yīng)在滿足脫模要求的情況下，盡可能地去重并圓滑過渡。另外，根據(jù)車輛的設(shè)計需求，在軸頭部位設(shè)計向兩側(cè)伸出的承重梁，以滿足部分轉(zhuǎn)向架減震系統(tǒng)的安裝需求。

3 整體鍛造軸橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對軸橋不同部位的功能要求及鍛造工藝要求，在方案中進(jìn)行了如下設(shè)計：

1）根據(jù)獨(dú)立輪對內(nèi)置軸箱要求，將兩側(cè)軸頸設(shè)計為臺階式，其大小直徑軸頸分別用于安裝大、小圓錐滾子軸承，大直徑滿足軸重承載要求，小直徑滿足軸端限界要求；在不同直徑軸頸之間設(shè)計卸荷槽，以滿足設(shè)計及加工需求；軸端設(shè)計螺紋孔及銷孔，用于連接軸箱端蓋或適配器等。

2）兩側(cè)軸頭為梯形復(fù)合結(jié)構(gòu)，以滿足強(qiáng)度及脫模要求，利用有限元軟件優(yōu)化設(shè)計，以盡可能減重。在軸頭兩側(cè)的承重梁預(yù)留減震系統(tǒng)中安裝有接口及吊裝孔等。

3）軸身截面為小角度梯形，與軸頭及承重梁通過大圓弧過渡，設(shè)計時考慮分型面及脫模要求，并預(yù)留接地接口。

設(shè)計的整體鍛造軸橋由軸頸、軸頭、一系簧安裝座、軸身構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖2 整體鍛造軸橋

表1 整體鍛造軸橋設(shè)計參數(shù)

4 有限元強(qiáng)度校核

利用ANSYS軟件對設(shè)計的軸橋進(jìn)行強(qiáng)度校核，采用Solid45實體單元離散，并細(xì)化網(wǎng)格。將車輛實際運(yùn)行時所受載荷等效加載至軸頸、承重梁等部位（如圖3所示）。其中，承重梁所受載荷由COMBIN14彈簧元進(jìn)行模擬，彈性模量為2.1e5 MPa，泊松比為0.28，密度為7.85 g/cm3。

參照EN13104等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定不同工況下的載荷大小。其中，超常載荷工況主要包括垂向載荷、橫向載荷、啟動工況、電機(jī)短路工況、制動工況等。運(yùn)營載荷工況主要包括牽引工況、制動工況、垂向及橫向載荷等。對各種載荷進(jìn)行組合模擬加載，如圖4、圖5所示。

圖3軸橋有限元模型

圖4 超常載荷組合工況下的軸橋整體馮米塞斯應(yīng)力（MPa）云圖

圖5 軸橋平均應(yīng)力（MPa）云圖

通過有限元軟件計算結(jié)果可以看出：超常載荷工況下的最大應(yīng)力值為99.38 MPa，位于軸身靠近軸頭一側(cè)邊緣，材料抗拉極限、屈服極限分別與軸橋承受最大應(yīng)力的比值Sm=6.5、Sp=4.2，滿足靜強(qiáng)度要求。利用Goodman疲勞極限圖進(jìn)行疲勞分析可知，軸橋各部位動應(yīng)力幅值均未超出EA4T材質(zhì)的疲勞極限，滿足疲勞強(qiáng)度要求。

5 模擬加載試驗

軸橋作為車輛走行的關(guān)鍵零件，承載了轉(zhuǎn)向架一系簧以上至受電弓的全部質(zhì)量，軸橋的質(zhì)量直接關(guān)乎車輛運(yùn)行安全。利用專用試驗臺對整體鍛造軸橋進(jìn)行模擬加載試驗，在軸橋表面各應(yīng)力集中位置粘貼位移傳感器、應(yīng)變片、應(yīng)變花等，如圖6所示。

圖6 測點(diǎn)照片

試驗分為超常載荷工況加載和運(yùn)營工況加載。其中：超常載荷工況按每個工況最大載荷的0—50%—100%—50%—0的順序進(jìn)行兩次加載；運(yùn)營載荷工況加載循環(huán)次數(shù)為1×107次，測試頻率值為3.5 Hz。加載方案按照相應(yīng)載荷譜進(jìn)行。在試驗前及每完成1×107次循環(huán)均要對軸橋做磁粉探傷。

最終的模擬加載試驗數(shù)據(jù)表明：超常載荷工況下的整體鍛造軸橋最大應(yīng)力位于軸身與軸頭連接位置，應(yīng)力值為99.8 MPa，且未產(chǎn)生永久變形；疲勞載荷測試完成后對軸橋磁探，未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，表明該軸橋滿足車輛運(yùn)行所需的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度要求。

6 結(jié)論

本文設(shè)計的整體鍛造軸橋包含臺階式軸頸、軸頭、承重梁、軸身等，其結(jié)構(gòu)滿足鍛造工藝要求。通過模擬加載試驗證明了軸橋的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度均滿足車輛運(yùn)行要求，且安全裕量充足，擁有良好的安全性和較高的可靠性。