周勤 劉暉霞 李鴻浩
摘要:本文介紹了一種低地板輕軌車輛用彈性車輪的研究與仿真分析,通過(guò)ANSYS軟件,采用有限元分析方法對(duì)該彈性車輪進(jìn)行了強(qiáng)度仿真分析計(jì)算,主要對(duì)輪箍、輪心、壓環(huán)的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。
關(guān)鍵詞:彈性車輪;設(shè)計(jì);仿真分析;強(qiáng)度;計(jì)算
中圖分類號(hào):TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編碼:1672-7053(2018)05-0139-02
低地板輕軌車輛的地板面高度通常為350mm (高地板為900?1000mm),需要降低地板高度來(lái)適應(yīng)低地板的要求。降低地板高度的障礙不是車輪而是車軸,因此低地板車輛不能用常規(guī)車軸及輪對(duì),必須把車軸做成下凹的U形,以降低中間通道的地板高度,在U形車軸兩端的短軸上裝獨(dú)立回轉(zhuǎn)的車輪組成輪對(duì),運(yùn)行時(shí)車軸不轉(zhuǎn)動(dòng),兩車輪可以以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),這種結(jié)構(gòu)稱為獨(dú)立車輪。在低地板輕軌車輛中獨(dú)立車輪一般采用彈性車輪,彈性車輪是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件,直接影響車輛的使用,必須保證彈性車輪在運(yùn)行過(guò)程中安全、可靠,因此需對(duì)彈性車輪進(jìn)行仿真分析、強(qiáng)度計(jì)算校核。
1 彈性車輪的結(jié)構(gòu)
彈性車輪的彈性元件多為橡膠件,按橡膠承載方式的不同可分為壓縮型、剪切型和壓剪復(fù)合型三種類型,在該低地板輕軌車輛中,彈性車輪采用壓剪復(fù)合式結(jié)構(gòu)。
彈性車輪主要由輪箍、輪心、壓環(huán)、接地連接線等組成,該低地板車輛用動(dòng)車及拖車彈性車輪結(jié)構(gòu)如下圖1所示。彈性車輪利用橡膠來(lái)吸收高頻振動(dòng)、緩和沖擊,降低噪聲并改善輪軌的摩擦。通過(guò)在輪箍、輪心間嵌入橡膠,能有效的減少輪對(duì)的簧下質(zhì)量,降低輪軌間的垂向沖擊加速度;通過(guò)橡膠的彈性變形,使車輛通過(guò)曲線和道岔時(shí)輪緣和鋼軌的摩擦力大大降低,改善輪緣的磨耗。
1.1 輪箍
在車輛運(yùn)行中,與軌道直接接觸的是彈性車輪輪箍,參考國(guó)內(nèi)外彈性車輪的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),考慮輪軌硬度匹配,即軌輪硬度比值為0.96?1.06和0.99?1.10等綜合因素,輪箍材料選擇UIC810-1V中的B6T,其機(jī)械性能參數(shù)見表1。
1.2 輪心
整體輾鋼車輪中比較常用的材料是EN 13262中的ER8、ER9等,標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定ER9材質(zhì)的車輪,輻板上的屈服強(qiáng)度應(yīng)至少比輪輞的屈服強(qiáng)度少130MPa。彈性車輪的輪箍相當(dāng)于整體輪的輪輞,輪心相當(dāng)于整體輪的輻板和輪轂,前面所選材料B6T的機(jī)械性能等同于ER9,因此,根據(jù)輻板屈服強(qiáng)度應(yīng)至少比輪輞少130MPa這一原則,在該項(xiàng)目中輪芯材質(zhì)可選用GB-T699中的C45+QT,其機(jī)械性能參數(shù)見表2。
1.3 壓環(huán)
壓環(huán)可選擇機(jī)械性能略高于輪芯的材質(zhì)。在該項(xiàng)目中,壓環(huán)的材質(zhì)選用EN 10083-3中的25CrMo4+QT,其機(jī)械性能參數(shù)見表3。
2 彈性車輪的強(qiáng)度仿真分析
2.1 彈性車輪有限元模型
彈性車輪的有限元模型如圖2所示,輪箍、輪心、橡膠件及壓環(huán)均采用四面體網(wǎng)格單元。由于無(wú)橡膠件的具體參數(shù),因此實(shí)際計(jì)算時(shí)根據(jù)車輪進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)得到的剛度按線性材料剛度進(jìn)行近似處理。
2.2 彈性車輪計(jì)算工況
本次計(jì)算主要依據(jù)UIC510-5《整體車輪的技術(shù)檢驗(yàn)》和EN13979中的載荷分配方法進(jìn)行計(jì)算,分為在平直軌道上行駛、在曲線軌道上行駛和通過(guò)道岔三種工況進(jìn)行計(jì)算。各工況下載荷作用如圖3所示。
其中:Q:車輪每一車輪作用在鋼軌上的質(zhì)量載荷(KN);Fz:垂向作用力(kN);Fy:每個(gè)車輪的橫向作用力(kN);
工況1:(在平直道上行駛)L1=57mm,F(xiàn)z1=1.25Q。
工況2:(在曲線上行駛)L2=25mm,F(xiàn)z2=1.25, Fy2=0.7Q。
工況3:(通過(guò)道岔) L3=92mm,F(xiàn)Z3=1.25Q,F(xiàn)y3=0.42Q。
2.3 彈性車輪強(qiáng)度評(píng)估
2.3.1 車輪靜強(qiáng)度評(píng)定
參照標(biāo)準(zhǔn)“UIC510-5”,車輪靜強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為:車輪上各點(diǎn)應(yīng)力不超過(guò)材料的彈性極限。輪箍材料暫定為B6T,其彈性極限為580Mpa ;輪心材料選用C45+QT,其彈性極限為415Mpa (GB/699);壓環(huán)材料選用25OMo4+QT,其彈性極限為 450Mpa。
2.3.2 疲勞強(qiáng)度評(píng)定
標(biāo)準(zhǔn)prEN13979-1規(guī)定了應(yīng)力的確定方法,該方法認(rèn)為車輪在運(yùn)行中,各點(diǎn)為非對(duì)稱循環(huán),其破壞型式由最大主應(yīng)力方向的應(yīng)力造成。由此,通過(guò)模型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布信息,確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同載荷工況作用下的最大主應(yīng)力和和最小主應(yīng)力值。按下式計(jì)算平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和極限應(yīng)力。計(jì)算出的極限應(yīng)力Act范圍應(yīng)當(dāng)?shù)陀谠试S應(yīng)力。
平均應(yīng)力:
;應(yīng)力幅值:
;極限應(yīng)力:
3 計(jì)算結(jié)果
3.1 車輪靜強(qiáng)度
3.1.1 拖車彈性車輪靜強(qiáng)度
直線、曲線和道岔三種工況下拖車輪心的von_Mises應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力分別為187MPa、236MPa、200MPa;拖車壓環(huán)的von_Mises應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力分別為270MPa、268MPa、281MPa;拖車輪箍的von_Mises應(yīng)力云圖(除載荷加載區(qū)域外,三種工況下的von_Mises應(yīng)力均未超過(guò)材料的許用應(yīng)力415MPa)。
由計(jì)算可知,在直線、曲線和道岔三種工況下拖車彈性車輪各部件的最大von_Mises應(yīng)力均未超過(guò)材料的許用應(yīng)力,因此,拖車車輪各部件靜強(qiáng)度均滿足要求。
3.1.2 動(dòng)車彈性車輪靜強(qiáng)度
直線、曲線和道岔三種工況下動(dòng)車輪心的von_Mises應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力分別為185MPa、230MPa、242MPa;動(dòng)車壓環(huán)的von_Mises應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力分別為264MPa、265MPa、262MPa ;動(dòng)車輪箍的von_Mises應(yīng)力云圖。
由計(jì)算可知,在三種工況下動(dòng)車彈性車輪各部件的最大von_Mises應(yīng)力均未超過(guò)材料的許用應(yīng)力。因此,動(dòng)車車輪各部件靜強(qiáng)度均滿足要求。
3.2 車輪疲勞強(qiáng)度
由于輪箍厚度在運(yùn)行過(guò)程中始終在變化且一般對(duì)于車輪疲勞強(qiáng)度的校核一般不包含輪轂部分。因此對(duì)彈性車輪部件的疲勞強(qiáng)度的核算只包含壓環(huán)和輪心。
將拖車和動(dòng)車車輪輪心、壓環(huán)上各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力繪入Goodman疲勞曲線內(nèi)如圖4所示,拖車和動(dòng)車車輪輪心、壓環(huán)上各節(jié)點(diǎn)均落在Goodman疲勞曲線內(nèi),因此可知,拖車和動(dòng)車車輪輪心、壓環(huán)滿足疲勞強(qiáng)度要求。
4 結(jié)語(yǔ)
本文根據(jù)UIC510-5《整體車輪的技術(shù)檢驗(yàn)》和EN13979中的載荷分配方法確定了彈性車輪輪轂、輪心及壓環(huán)的直線、曲線和道岔三種計(jì)算工況,通過(guò)ANSYS仿真分析,對(duì)動(dòng)車及拖車彈性車輪輪轂、輪心及壓環(huán)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算,滿足低地板輕軌車輛運(yùn)用要求。
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