懸掛式單軌吊架強度分析*

薛鈺宇，王伯銘，黃海鳳，蕭 明

(1.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031；2.寧波大學 商學院，浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著城鎮化建設的發展，單軌交通憑借其獨特的優勢如占地面積小、建設成本低、環境友好、良好的爬坡能力、噪聲小等受到廣大軌道交通建設者青睞，促使軌道交通相關領域的科研人員對懸掛式單軌進行各個方面的研究：馬登峰等對懸掛式單軌車輛懸吊梁進行了強度分析，得出整體結構在各工況下滿足靜強度和疲勞強度要求[1]；Jiang等對兩種不同鉸接式單軌車輛曲線通過性能進行比較，得出對于通過小半徑曲線的車輛，“無搖枕”結構是較好的選擇[2]；陳志輝等對懸掛式單軌車輛懸掛參數對運行平穩性的影響進行了研究，得出車輛定載及重載工況動力學性能優于空載[3]；朱健偉通過研究發現二系垂向剛度的變化會使車體垂向振動加速度呈波動性變化[4]。

車輛的吊架空氣彈簧安裝座接觸面坐落在懸吊梁上空氣彈簧處，再通過銷軸座連接車體，同時承受拉伸和壓縮載荷。因此，吊架的強度對車輛運行的安全性和可靠性有重要影響。本文根據EN標準對吊架進行了靜強度、疲勞強度分析，并通過MATLAB得出吊架Goodman疲勞曲線圖。

1 有限元分析

1.1 結構分析

在CREO中建立的吊架三維模型如圖1所示。車輛的吊架采用由鋼板焊接而成的箱型結構，下面部分直接與車體相連，主要承受和傳遞車體與懸吊梁之間的力，車體的重量通過吊架直接壓在空氣彈簧上作用在懸吊梁左右兩側。

1.2 有限元模型處理

將吊架模型導入Hypermesh進行網格劃分，選用Solid185單元；賦予表1所示的材料屬性。整個吊架模型共含有實體單元817 429個、節點1 345 284個。吊架有限元模型如圖2所示。

圖2 吊架有限元模型

表1 材料屬性

1.3 邊界條件

本文根據EN_13749/2011、UIC_515-4/1993等標準，結合吊架結構實際情況施加邊界條件:將銷軸座完全約束，在吊架與空氣彈簧接觸面、橫向減振器、垂向減振器處施加集中力。

1-安全鋼索座；2-空氣彈簧接觸面；3-橫向減振器安裝座；4-銷軸座；5-垂向減振器安裝座

1.4 吊架工況分析

1.4.1 吊架超常工況分析

建立的超常工況載荷如表2所示。由于目前還未有關于單軌車輛各個部件相關強度計算標準，尤其是空氣彈簧過充時安全鋼索承受的載荷，故本文中安全鋼索座承受的載荷是根據空氣彈簧過充時的壓強與垂向載荷的差確定的。根據表2載荷得到的吊架在超常工況下的應力云圖如圖3所示，最大應力部位及數值如表3所示。由表3可知，最大應力部位在安全鋼索座處，其值為281.512 MPa。

圖3 部分超常工況下應力云圖

表2 超常工況載荷 N

在超常靜載荷情況下，焊縫區材料的極限強度安全系數取1.1，非焊縫區取1，因此許用應力分別為322.7 MPa(焊縫區)和355 MPa(非焊縫區)。由表3可知，最大應力值都在許用應力范圍內，故其滿足列車運行的強度要求。

表3 超常工況下吊架最大應力部位及數值

1.4.2 吊架正常運營工況

建立的正常運營工況載荷如表4所示。根據表4載荷得到的吊架在正常工況下的應力云圖如圖4所示，最大應力部位及數值如表5所示。由表5可知，最大應力部位在橫向減振器安裝座處，其值為137.502 MPa。

圖4 部分正常工況下應力云圖

表4 正常運營載荷 N

在正常運營載荷情況下，焊縫區材料的極限強度安全系數取1.65，非焊縫區取1.5，因此許用應力分別為215.2 MPa(焊縫區)和236.7 MPa(非焊縫區)。由表5可知，最大應力值都在許用應力的范圍內，故其滿足列車運行的強度要求。

表5 正常運營工況下吊架最大應力部位及數值

2 疲勞分析

以表4中的正常運營載荷工況計算疲勞強度。依據標準UIG_515-4、EN_13749提供的疲勞強度評估方法，對吊架應用基于無限壽命設計準則的疲勞極限法[5]，得出如圖5所示的Goodman疲勞極限圖。

依據UIC_515-4標準，在做疲勞試驗的場合，少數測量點的應力值可以超過極限應力，最多可達20%。由圖5可見，實體單元的節點應力都落在母材包絡線以內，故吊架整體滿足疲勞強度的要求。

圖5 吊架Goodman疲勞極限

3 結束語

本文通過ANSYS計算分析吊架在超常工況、運營工況下受力狀況及疲勞壽命，確定了整體結構在各工況下滿足靜強度和疲勞強度要求。但由于目前還未有關于單軌車輛各個部件相關強度計算標準，尤其是空氣彈簧過充時安全鋼索承受的載荷，本文中安全鋼索座承受的載荷采用的是空氣彈簧過充時的壓強與垂向載荷的差，可為相似結構的研究計算提供一定的參考。