低地板有軌電車整體鍛造軸橋的設計

李志遠

（智道鐵路設備有限公司，山西 太原 030032）

引言

獨立輪對是100%低地板有軌電車的關鍵走行部件，而軸橋是其標志性結構，不可或缺。隨著鍛造設備及工藝的不斷升級，對軸橋進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生的完整金屬流線有效提高其各項機械性能指標，從而保證車輛運行安全可靠。該產品的設計開發能夠有效助力國內低地板車輛的國產化及性能優化。

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別之一。軸橋作為新一代低地板有軌電車輪對的關鍵零部件，因其具有獨有的中間下凹結構，真正實現了低地板有軌電車車廂全部地板面距地面高度均≤0.4 m，從而實現了整個車廂貫通式低地板的結構。

通過對國內外資料分析匯總，根據制造工藝的不同，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，其優點是鍛造難度低，軸頭機械性能優良，缺點是整體重量大，單件重量在0.4 t以上，在輕量化設計趨勢的今天，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，形狀結構較為復雜，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。隨著國內外鍛造設備及工藝技術的不斷提高，軸橋整體鍛造逐漸得以實現。憑借結構簡單、成品率高、機械性能優良、自重低等優點，整體鍛造軸橋逐漸成為軸橋行業的主流產品。

圖1 不同類型軸橋對比

2 整體鍛造軸橋設計方案

整體鍛造軸橋由軸頸、軸頭、軸身等部分構成，不同部位功能不同。其中，軸頸主要用于壓裝軸承、車輪等，其結構主要取決于軸承、彈性車輪等的安裝要求；軸頭與軸身作為軸橋U形結構的主體部分，其設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，根據車輛的設計需求，在軸頭部位設計向兩側伸出的承重梁，以滿足部分轉向架減震系統的安裝需求。

3 整體鍛造軸橋結構設計

針對軸橋不同部位的功能要求及鍛造工藝要求，在方案中進行了如下設計：

1）根據獨立輪對內置軸箱要求，將兩側軸頸設計為臺階式，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計卸荷槽，以滿足設計及加工需求；軸端設計螺紋孔及銷孔，用于連接軸箱端蓋或適配器等。

2）兩側軸頭為梯形復合結構，以滿足強度及脫模要求，利用有限元軟件優化設計，以盡可能減重。在軸頭兩側的承重梁預留減震系統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，設計時考慮分型面及脫模要求，并預留接地接口。

設計的整體鍛造軸橋由軸頸、軸頭、一系簧安裝座、軸身構成，其結構如圖2所示，設計參數如表1所示。

圖2 整體鍛造軸橋

表1 整體鍛造軸橋設計參數

4 有限元強度校核

利用ANSYS軟件對設計的軸橋進行強度校核，采用Solid45實體單元離散，并細化網格。將車輛實際運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等相關標準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、電機短路工況、制動工況等。運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力（MPa）云圖

圖5 軸橋平均應力（MPa）云圖

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

5 模擬加載試驗

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

圖6 測點照片

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

最終的模擬加載試驗數據表明：超常載荷工況下的整體鍛造軸橋最大應力位于軸身與軸頭連接位置，應力值為99.8 MPa，且未產生永久變形；疲勞載荷測試完成后對軸橋磁探，未發現疲勞裂紋，表明該軸橋滿足車輛運行所需的靜強度及疲勞強度要求。

6 結論

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