懸掛式單軌轉向架構架強度試驗研究

吳會超

（中國鐵建重工集團股份有限公司，長沙 410100）

懸掛式單軌屬于單軌交通系統之一，它不僅視野開闊、極具旅游觀光性，而且占地面積非常小、造價低、適應性強，在我國的某些旅游城市得到了推廣和應用。其中，懸掛式單軌交通的軌道梁作為客運車輛的主要承載部件，直接關系到所有乘客的生命和財產安全，因此開發一款懸掛式單軌綜合作業車用于軌道梁的缺陷檢查和維修是非常有必要的。而轉向架構架作為懸掛式單軌綜合作業車的關鍵部件之一，在行車運動過程中需要承受來自各個方向的動態載荷作用，還要傳遞過彎道時所需的離心力以及電機牽引產生的縱向力。在這些惡劣載荷的作用下，轉向架構架容易產生疲勞裂紋，因此針對轉向架構架進行強度性能試驗和評估就顯得尤為重要。

目前，懸掛式單軌交通作為一種新型軌道交通，其轉向架構架的強度評估方法和標準都還沒有，相關的研究也比較少。文獻［1-2］詳細介紹了懸掛式單軌客車轉向架構架的結構，并利用有限元方法對轉向架構架靜強度和疲勞強度進行優化分析，使其滿足設計和使用要求。近年來，國內外學者主要對傳統軌道車輛的構架在強度評估方面做了大量工作。比如，盧耀輝等采用板殼和實體2種構架有限元模型，針對多軸應力狀態下的構架疲勞強度進行了分析［3］。郭同生等采用有限元方法對HXD2機車構架的疲勞強度進行了校核計算［4］。蘭清群等采用試驗的方法對軌檢車的構架疲勞強度進行了分析和研究［5］。針對轉向架構架的疲勞強度分析通常采用多軸疲勞強度理論，以最大應力和最小應力結合Goodman 圖進行評估。文獻［6］提出了一種基于矢量投影的構架疲勞強度評估方法，并詳細闡述了其原理和計算過程。肖守訥等在投影法的基礎上進行了改進，采用二階張量坐標變換的方式，提出一種多軸應力轉化為單軸應力的張量法［7］。楊冰等考慮常規投影法的不足，提出一種基于球面方向余弦族的新投影法，提高了構架疲勞強度評估的準確性和可靠性［8］。

文中將以懸掛式單軌綜合作業車的轉向構架為研究對象，參考相關標準和研究成果，進行結構強度試驗及評估，從而為懸掛式單軌構架的結構設計提供參考。

1 載荷工況分析

懸掛式單軌轉向架主要有構架、走行輪、牽引電機、懸掛系統等組成，如圖1 所示。其中，構架包含上構架和懸吊裝置梁，2 個部件之間通過回轉支撐軸承進行連接。上構架通過人字型橡膠簧和轉臂定位節點與走行輪相連，傳遞縱向牽引力、垂向力和橫向力。懸吊裝置梁通過錐型橡膠簧、橫向止擋、橫向減振器、牽引拉桿等與車體相連，用于傳遞縱向力、橫向力和垂向力。牽引電機通過螺栓與上構架相連，傳遞牽引扭矩。制動夾鉗固接在電機外殼上相當于與上構架剛性連接，用于傳遞制動力。

圖1 轉向架結構

依據EN 13749 和TB 3549.1 標準中相關規定［9-10］，轉向架構架的載荷工況分為超常載荷工況和模擬運營載荷工況。根據懸掛式單軌轉向架構架的結構特點，在轉臂定位安裝座處施加縱向和橫向約束，在一系彈簧安裝座處進行垂向約束，實際載荷加載情況如圖2 所示。

圖2 轉向架構架加載圖

1.1 超常載荷工況

（1）垂向載荷

式中：ML為最大軸重，t；m+為轉向架質量，kg。

（2）橫向載荷

式中：mv為整車總重量，t；v為車輛運行速度，m/s；p為允許的最大風壓，N/m2；Ac為車體受風面積，m2。

懸掛式單軌轉向架的橫向載荷主要來自于過曲線時的離心力和風載，與傳統轉向架標準中取最大輪軸橫向力作為橫向載荷的計算方法不同。橫向載荷將由二系疊層橡膠簧和橫向止擋共同承擔，載荷分布后的大小為：

（3）制動載荷

緊急制動產生的最大制動減速度為1.2 m/s2，超常載荷工況下制動載荷要取緊急制動名義載荷的1.3 倍。

轉向架走行輪的半徑為R，而制動盤的半徑為r，每個轉向架上只安裝了1 個制動盤，因此制動盤上的作用力為：

（4）慣性載荷

慣性載荷主要來自于牽引電機，其大小為：

（5）電機牽引附加載荷

車輛最大牽引加速度為1 m/s2，超常工況下應取名義牽引載荷的1.3 倍，牽引工況時構架還要受到電機的反力矩作用。

（6）電機短路附加載荷

（7）減振器載荷

超常載荷工況下，橫向減振器載荷應為名義卸荷力的2 倍。

根據以上載荷工況的設置，可以形成超常載荷工況組合表，具體見表1。

表1 超常載荷工況

1.2 模擬運營載荷工況

轉向架構架在車輛正常運營過程中，承受著復雜的載荷狀態，包括垂向載荷、橫向載荷、牽引載荷、制動載荷等等，其大小和設置均與超常載荷工況不同。

（1）垂向載荷

（2）橫向載荷

模擬運營載荷工況下，通過的最小曲線半徑為50 m，最大通過速度為20 km/h，進行載荷分布計算后得到：

（3）制動載荷

常用制動產生的最大制動減速度為1 m/s2，模擬運營工況下制動載荷要取名義載荷的1.1 倍。

制動盤上的作用力為：

（4）慣性載荷

（5）電機牽引附加載荷

模擬運營工況下電機牽引附加載荷應取名義牽引載荷的1.1 倍，同時承受電機牽引的反扭矩。

（6）減振器載荷

模擬運營載荷工況下，橫向減振器載荷應為名義卸荷力的1.5 倍。

上述這些載荷將以不同的組合形式，形成模擬運營組合工況表，見表2。

表2 模擬運營載荷工況

2 構架強度試驗

2.1 強度試驗概況

在某中心進行了懸掛式單軌構架強度試驗，構架試驗臺情況如圖3 所示。

圖3 轉向架構架強度試驗臺

2.1.1 貼片位置

構架強度測試之前首先要進行應變片布點，根據有限元計算結果，應變測量位置總共設計了45 個。其中，測量位置30~45 的應變片為單向應變片，其余測量位置為三向應變片。具體貼片位置如圖4 所示。

圖4 應變片貼片位置

2.1.2 構架強度評估方法

懸掛式單軌轉向架構架的強度評估方法主要參照TB/T 3549.1 標準，2 種工況的應力測試結果分別進行評估。

（1）超常載荷工況評估方法

懸掛式單軌構架的材料為Q345D，屈服強度為345 MPa。確保構架在超常載荷工況下不產生永久變形，各個測點的Von-Mises 應力不超過材料的屈服強度，Von-Mises 應力的計算公式為式（1）：

（2）模擬運營載荷工況評估方法

TB/T 3549.1 標準中推薦的構架疲勞強度評估方法為疲勞極限法。構架在進行完模擬運營載荷工況強度試驗后，對于每個測點記錄各個工況下的應力值，然后從這些值中找出最大值σmax和最小值σmin，并按照公式（2）計算得到平均應力σm和應力幅σa。

將各個測點得到的平均應力σm及其對應的應力最大值σmax和應力最小值σmin輸入到Goodman 疲勞極限圖中，如果沒有超出疲勞極限圖的測點，表明構架滿足疲勞強度設計要求。

關于測點應力最大值σmax和最小值σmin的計算方法問題，傳統投影法存在一定的局限性，文中將采用文獻［8］中提出的一種經過改進后更準確的球面方向余弦族法，其對應變花測點，σmax和σmin按照以下方法進行計算。

（1）假設構架中存在某點O，以O為原點建立單位長度半徑的球面方向余弦族，以10°為間隔，共包含方向余弦612 個。

（2）假定構架中的某點O共經歷了t個載荷工況，圍繞點O構建的余弦族包含p個方向，在某工況i下，O點的3 個方向主應力在方向余弦族中任選一個方向nj進行投影和疊加，得到應力σeij為式（3）：

通過式（3）可以得到tp個σeij，選取其中的最大值和最小值作為σmax和σmin。

2.2 試驗結果分析

（1）超常載荷工況試驗結果

超常載荷工況下，構架的各個部位未發現永久變形，文中選取了幾個最大應力點見表3。從表3 可以看出，測點的最大Von-Mises 應力均小于材料的屈服極限，表明構架滿足靜強度設計要求。

表3 等效應力結果單位：MPa

（2）模擬運營載荷工況試驗結果

將模擬運營工況試驗得到的每個測點的平均應 力σm、最 大 值σmax和 最 小 值σmin帶 入Goodman 疲勞極限圖，得到結果如圖5 所示。

圖5 疲勞強度評估結果

從圖5 中可以看出，構架所有測點的應力值都在Goodman 疲勞極限圖內，表示在一定的疲勞壽命期限內構架不會發生疲勞破壞現象，構架滿足疲勞強度設計要求。

3 結 論

基于鐵路車輛轉向架構架強度評估標準EN 13749 和TB 3549.1，制定了懸掛式單軌轉向架構架強度評估典型載荷工況表，并進行構架強度試驗，得到如下試驗結論：

（1）超常載荷工況下，構架未發現永久變形，且最大Von-Mises 應力為221.71 MPa，遠小于Q345D 材料的屈服極限，滿足構架的靜強度設計要求。

（2）模擬運營載荷工況下，根據疲勞極限法對構架的疲勞強度進行評估，評估結果表明構架滿足30 年疲勞壽命設計要求。