懸掛式索軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度分析

馮 波，王伯銘

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

為解決我國城市交通擁堵問題，目前國內(nèi)已發(fā)展出的公共交通系統(tǒng)按照運(yùn)能可分為高容量、大容量、中容量及小容量系統(tǒng)，雖然這些系統(tǒng)能夠有效解決城市交通問題，但是缺少一種個(gè)人定制化的公共交通系統(tǒng)[1]。索軌交通是在普通纜車索道基礎(chǔ)上，經(jīng)過技術(shù)改造和創(chuàng)新開發(fā)形成的一種懸索式新型城市軌道交通，也稱空中軌道交通或空中客車。索軌交通在一般線路上軌道采用柔性復(fù)合索軌，每在轉(zhuǎn)彎區(qū)段、道岔段和車站段索軌則改用鋼型材焊接成的剛性軌道，即硬軌[2]。目前在國內(nèi)外索軌運(yùn)用都較少，特別是國內(nèi)，幾乎沒有關(guān)于索軌交通的研發(fā)和應(yīng)用，但索軌交通具有工程結(jié)構(gòu)簡單、施工速度快、能適應(yīng)各種復(fù)雜地形、對城市環(huán)境影響很小并優(yōu)化城市景觀等特點(diǎn)，有良好的發(fā)展前景。本文介紹一種適用于柔性軌道的懸掛式索軌車輛，其中轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是車輛的重要承載部件之一，也是車輛的運(yùn)行基礎(chǔ)，既用來傳遞來自車體和輪軌的載荷，也為其他零部件提供安裝基座[3]，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度合格與否直接關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全性，因此需要對其進(jìn)行必要的強(qiáng)度分析。

1 索軌車輛及其轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)

本文介紹的索軌車輛總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該索軌車輛采用單節(jié)車編組，每個(gè)車輛包含一個(gè)轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)為非對稱式結(jié)構(gòu)，通過前后兩個(gè)走行輪壓在柔性鋼索軌道上提供牽引力，鋼索軌道兩旁4個(gè)實(shí)心橡膠導(dǎo)向輪提供導(dǎo)向力。該車輛使用輪轂電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，簡化了結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高了動(dòng)力傳遞效率，在構(gòu)架上方縱梁與車軸連接處設(shè)置有橡膠套代替普通軌道車輛的一系懸掛，以保證車軸相對構(gòu)架具有一定的自由度。車體通過車體橫梁與構(gòu)架枕梁相連，中間設(shè)置4個(gè)彈簧減振器起減振和緩沖作用，并設(shè)置縱向布置的牽引拉桿傳遞牽引力。另外，為了限制車體橫移，設(shè)置了橫向彈性止擋。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)如圖2所示，下方由兩根枕梁及一根橫梁組成，牽引拉桿座為整體鑄件焊接到橫梁上，在上方由兩根縱梁組成，兩邊設(shè)置有導(dǎo)向輪安裝座、車軸孔以及鍵槽，中間連接上下兩個(gè)部分的吊梁為分叉結(jié)構(gòu)，保證構(gòu)架具有足夠的剛度，防止在運(yùn)行過程中變形過大。

1-構(gòu)架；2-輪轂電機(jī)；3-柔性鋼索；4-導(dǎo)向輪；5-車體；6-橫向止擋；7-牽引拉桿；8-彈簧減振器；9-車軸及橡膠套；10-走行輪

2 車輛各向力的傳遞

車輛在運(yùn)行過程中受力情況比較復(fù)雜，但總體上可以分為三個(gè)方向上的力，即垂向力、橫向力和縱向力，三個(gè)力傳遞過程如下：

垂向力：車體—彈簧減振器—構(gòu)架枕梁—構(gòu)架橫梁—構(gòu)架縱梁—車軸—走行輪—鋼索軌道。

橫向力：鋼索—導(dǎo)向輪—構(gòu)架縱梁—構(gòu)架橫梁及枕梁，此時(shí)當(dāng)橫向力較小時(shí)，后續(xù)路徑為構(gòu)架橫梁及枕梁—彈簧減振器—車體；當(dāng)橫向力較大時(shí)，后續(xù)路徑為構(gòu)架橫梁及枕梁—彈簧減振器+橫向彈性止擋—車體。

縱向力：鋼索軌道—走行輪—車軸—構(gòu)架縱梁—構(gòu)架橫梁—牽引拉桿—車體。

11-縱梁；12-導(dǎo)向輪安裝座；13-牽引拉桿座；14-枕梁；15-橫梁；16-吊梁；17-車軸孔及鍵槽

3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度分析

3.1 載荷工況計(jì)算

由于索軌車輛屬于新型軌道車輛，其結(jié)構(gòu)較為特殊，在國內(nèi)外可查文獻(xiàn)中并沒有針對索軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。本文選用DIN EN13749∶2011《鐵路應(yīng)用—輪對與轉(zhuǎn)向架—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定方法》(簡稱EN標(biāo)準(zhǔn))對此索軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)[4]。EN標(biāo)準(zhǔn)中共劃分了7種類型的軌道車輛轉(zhuǎn)向架，其中的B-Ⅳ類為輕軌車輛和有軌電車轉(zhuǎn)向架，這兩類軌道車輛的運(yùn)行方式與索軌車輛較為接近，故本文參考EN標(biāo)準(zhǔn)中B-Ⅳ類轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)方法對本文索軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行強(qiáng)度分析。

通過參考EN標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合本文索軌車輛的特殊性，經(jīng)分析可知，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在運(yùn)行過程中所受主要載荷有垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷，以及運(yùn)行時(shí)受到的縱向沖擊、緊急制動(dòng)力、起動(dòng)牽引力，另外，特殊部件如減振器及輪轂電機(jī)也會(huì)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生一定的載荷。

經(jīng)過分析計(jì)算，確定了該索軌車輛的載荷工況，其中共計(jì)9個(gè)超常載荷工況及31個(gè)正常運(yùn)行載荷工況，規(guī)定縱向力在列車牽引時(shí)為正方向、列車制動(dòng)時(shí)為負(fù)方向。部分工況組合如表1、表2所示。

表1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架超常載荷工況組合(部分) N

表2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架正常運(yùn)營載荷工況組合(部分)

3.2 模型處理

本文介紹的索軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由板材焊接而成，所用金屬材料為Q355E低合金鋼，材料屬性見表3。其屈服極限為355 MPa，在超常載荷工況下，參考EN標(biāo)準(zhǔn)，材料的極限強(qiáng)度對應(yīng)的安全系數(shù)S在焊縫區(qū)取1.1，在非焊縫區(qū)取1.0，超常載荷工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值不應(yīng)超過許用強(qiáng)度的范圍。

表3 材料屬性

首先在SolidWorks軟件中完成模型的創(chuàng)建，然后將模型導(dǎo)入hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、屬性賦予并施加載荷，之后利用ANSYS軟件進(jìn)行結(jié)果求解。

本文有限元模型所劃的網(wǎng)格主體部分為八節(jié)點(diǎn)六面體單元，以提升求解精度及求解速度；在牽引拉桿座處使用四面體單元以模擬精細(xì)結(jié)構(gòu)。為準(zhǔn)確模擬實(shí)際情況，在導(dǎo)向輪處利用彈簧單元施加橫向彈性約束，在輪軸孔處利用彈簧單元施加縱向及垂向約束，并且在左右軸孔之間利用梁單元模擬車軸。索軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型如圖3所示。

圖3 索軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 超常載荷工況下構(gòu)架靜強(qiáng)度結(jié)果分析

對于超常載荷工況，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況5下，即過道岔起動(dòng)牽引工況。按照EN標(biāo)準(zhǔn)，在對B-Ⅳ類轉(zhuǎn)向架進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮1.3倍最大加速度引起的特殊負(fù)載，此時(shí)構(gòu)架所受負(fù)載為過道岔垂向載荷以及縱向的起動(dòng)牽引力，其最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置是在構(gòu)架吊梁前蓋板折彎處，最大應(yīng)力值為185.3 MPa，如圖4所示。超常載荷工況下構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表4，在所有9個(gè)超常工況下，構(gòu)架最大應(yīng)力值均低于許用應(yīng)力值，最小安全系數(shù)為1.916，遠(yuǎn)高于許用安全系數(shù)值1.1，故該構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求[5]。

圖4 超常載荷工況5下的構(gòu)架應(yīng)力云圖

表4 超常工況下構(gòu)架最大應(yīng)力部位及數(shù)值

3.3.2 正常運(yùn)營載荷工況下構(gòu)架疲勞強(qiáng)度結(jié)果分析

在進(jìn)行構(gòu)架疲勞強(qiáng)度分析時(shí)，應(yīng)提取構(gòu)架有限元模型內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)，分別計(jì)算全部工況下所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。依據(jù)UIC615-4、EN標(biāo)準(zhǔn)提供的疲勞強(qiáng)度評估方法，對構(gòu)架基于無限壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的疲勞極限法，以及疲勞裂紋擴(kuò)展方向與最大主應(yīng)力方向垂直的原理進(jìn)行分析。利用MATLAB軟件處理有限元計(jì)算后構(gòu)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力，并確定構(gòu)架評估節(jié)點(diǎn)的平均應(yīng)力σm、最大應(yīng)力σmax、最小應(yīng)力σmin和應(yīng)力幅，最后按照對應(yīng)制造材料Q355E的修正疲勞極限圖評估轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵焊縫的疲勞強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

索軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖5所示， 構(gòu)架上所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均位于材料的Goodman疲勞極限圖包絡(luò)線以內(nèi)，有少量節(jié)點(diǎn)位于焊縫的包絡(luò)線以外。

圖5 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架Goodman疲勞極限圖

在hypermesh中查看這些節(jié)點(diǎn)，一共26個(gè)位于焊縫包絡(luò)線以外，節(jié)點(diǎn)位置如圖6所示。可看出這26個(gè)節(jié)點(diǎn)位于構(gòu)架吊梁前蓋板折彎處，均為母材上的節(jié)點(diǎn)，因此構(gòu)架疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 超出疲勞極限圖焊縫包絡(luò)線以外的節(jié)點(diǎn)

4 結(jié)語

本文介紹了一種懸掛式索軌車輛的結(jié)構(gòu)，并參考EN13749、UIC615等標(biāo)準(zhǔn)及其他參考資料對其轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。通過分別對超常載荷工況和正常運(yùn)營載荷工況下構(gòu)架的應(yīng)力情況進(jìn)行計(jì)算并評價(jià)其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，可得所有超常載荷工況的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于材料許用應(yīng)力，正常運(yùn)營載荷工況下構(gòu)架所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均落于材料Goodman疲勞極限圖包絡(luò)線以內(nèi)，在焊縫包絡(luò)線以外的點(diǎn)均位于母材上，因此構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。本文對索軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度的分析可為索軌交通系統(tǒng)今后的相關(guān)研究發(fā)展提供一定的參考。