低地板車輛軸橋的強(qiáng)度計(jì)算與評(píng)定

吳志強(qiáng) 楊 輝 陳 沛

( 中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213125)

我國(guó)對(duì)低地板車輛的研究較晚，在2010年后國(guó)內(nèi)對(duì)低地板車輛的關(guān)注度迅速提升，目前為止有規(guī)劃建設(shè)或已開始建設(shè)低地板線路的城市超過50個(gè)。軸橋是使用在低地板車輛上的軸類關(guān)鍵零部件，為了降低車輛內(nèi)地板面的高度，該零件設(shè)計(jì)成下凹式彎曲結(jié)構(gòu)[1]。

國(guó)內(nèi)的傳統(tǒng)軸橋大部分采用整體鑄造或焊接形式的工藝進(jìn)行制造，缺陷較難控制，可靠性較低。整體鍛造軸橋作為近幾年國(guó)內(nèi)先進(jìn)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，它具有缺陷少、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[2]。

作為低地板車輛上的重要部件，軸橋的強(qiáng)度對(duì)車輛的安全性和平穩(wěn)性至關(guān)重要。低地板車輛在運(yùn)行時(shí)，軸橋不轉(zhuǎn)動(dòng)，連接在軸橋兩側(cè)的車輪獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，相比傳統(tǒng)車軸增加了一系懸掛支撐座等結(jié)構(gòu)，它的受力與傳統(tǒng)車軸差異較大，至今沒有關(guān)于低地板車輛用軸橋的受力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外也很少有相關(guān)的受力計(jì)算論文。本文參考傳統(tǒng)客車車軸、轉(zhuǎn)向架等標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)軸橋進(jìn)行了載荷計(jì)算及強(qiáng)度評(píng)定。

1 軸橋的有限元模型

文中軸橋采用的是整體鍛造成型工藝，使用某高強(qiáng)度合金鋼鍛造材料。力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 軸橋材料力學(xué)性能參數(shù)

有限元模型采用C3D4四面體實(shí)體單元，并在軸橋軸頭處網(wǎng)格細(xì)分，確保計(jì)算精度，網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 軸橋網(wǎng)格模型

2 軸橋載荷計(jì)算

軸橋計(jì)算的主要輸入?yún)?shù)如表2所示。

表2 軸橋計(jì)算的主要參數(shù)

軸橋承受的載荷可分為極限載荷和運(yùn)行載荷，這些載荷組合了成軸橋在車輛運(yùn)行過程中的不同計(jì)算工況。下文列出了軸橋可能承受的所有載荷類型，并分析了軸橋在各種載荷下的受力狀態(tài)以及受力大小[3]。

2.1 極限載荷

2.1.1極限垂直載荷

參照EN 13749標(biāo)準(zhǔn)，得出作用于一個(gè)軸橋的質(zhì)量應(yīng)為：

m1max=(mv+c1-m2)/2=8 750 kg

每個(gè)車輪對(duì)軸橋的垂直支撐載荷為:

Fzw1max=1.4·m1max·g/2=60 086 N

2.1.2極限橫向載荷

計(jì)算時(shí)取車輛的最大橫向加速度ay=0.6g，極限工況下軌道作用于車輪的橫向力大小為：

Fywmax=ay·m1max=51 503 N

方向：與車輛的橫向加速度方向相反。

2.1.3側(cè)滾垂向載荷

該載荷為橫向力引起兩側(cè)車輪垂向力的變化。車體在受橫向力時(shí)會(huì)發(fā)生側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，從而使車輪一側(cè)增載的同時(shí)另一側(cè)減載，則作用在車輪上的側(cè)滾垂向力為：

Fzw2max=Fyw2max·(h-hp)/p=49 786 N

2.1.4極限縱向載荷

考慮最大縱向加速度的大小ax=0.5g，作用在軸橋處的縱向牽引力的大小為:

Fxw2max=axmax·(m1max+m+)/2=22 097 N

2.2 運(yùn)行載荷

2.2.1垂直靜態(tài)載荷

作用于一個(gè)軸橋的質(zhì)量為：

m1=mv+1.2·(c2-m2)/2=8 120 kg

每個(gè)車輪對(duì)軸橋的垂直支撐力為:

Fzw1=m1·g/2=39 829 N

2.2.2垂直動(dòng)態(tài)載荷

垂直動(dòng)態(tài)載荷的取值依據(jù)EN 13104標(biāo)準(zhǔn)，為垂直靜態(tài)載荷的25%。

2.2.3橫向載荷

EN 13104標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定車輛的橫向加速度為ay=0.35g，軌道作用于車輪橫向力的大小為:

Fyw=ay·m1=27 880 N

方向：與車輛的橫向加速度方向相反。

2.2.4側(cè)滾垂向載荷

該載荷為橫向力引起兩側(cè)車輪垂向力的變化。車體在受橫向力時(shí)會(huì)發(fā)生側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，從而使車輪一側(cè)增載的同時(shí)另一側(cè)減載，則作用在車輪上的側(cè)滾垂向力為：

Fzw2=Fyw·(h-hp)/p=26 951 N

2.2.5縱向載荷

該載荷為車輛啟動(dòng)時(shí)的慣性力，車輛運(yùn)行時(shí)縱向加速度的大小為0.3g。作用在軸橋每一端軸頸處的縱向牽引力的大小為:

Fxw=ax·(m1+m+)/2=12 331 N

2.3 載荷工況

如圖2所示，規(guī)定坐標(biāo)系中+Y方向?yàn)檐囕?所在位置。經(jīng)有限元初步分析，縱向載荷對(duì)軸橋的應(yīng)力貢獻(xiàn)非常小，最大應(yīng)力位置的貢獻(xiàn)在10 MPa以內(nèi)，因此在極限和運(yùn)行載荷工況中省略縱向載荷，以簡(jiǎn)化工況組合。

圖2 軸橋坐標(biāo)圖

對(duì)于極限負(fù)載，選取了過曲線和道岔下的4種垂向載荷和橫向載荷組合工況，如表3所示。

參考UIC 515-4和EN 13749標(biāo)準(zhǔn)中的工況組合方法，并結(jié)合低地板車輛特殊的槽型軌受力情況，將垂向載荷、橫向載荷按照直線、曲線和道岔工況進(jìn)行組合，模擬運(yùn)行工況如表4所示。

表3 軸橋極限工況

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

將軸橋材料的抗拉極限、屈服極限與計(jì)算所得到的最大應(yīng)力之比，分別定義為抗拉安全系數(shù)和屈服安全系數(shù)，用Sm、Sp表示。當(dāng)Sm、Sp同時(shí)滿足Sm≥2，Sp≥1.5 時(shí)，認(rèn)為軸橋的靜強(qiáng)度滿足使用要求。

針對(duì)表3中的極限工況，采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算出軸橋的Von Mises應(yīng)力(見表5)，結(jié)果顯示最大應(yīng)力出現(xiàn)在第2工況軸頸與軸頭圓弧過渡位置(見圖3)，Von Mises應(yīng)力大小為349.1 MPa。經(jīng)過計(jì)算，抗拉安全系數(shù)Sm為2.29，屈服安全系數(shù)Sp為1.72，軸橋靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 軸橋模擬運(yùn)行工況

表5 危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果

圖3 極限工況下最大Von Mises應(yīng)力工況

3.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

Goodman疲勞極限圖法是一種簡(jiǎn)便實(shí)用的疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法，它基于材料的疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等繪制疲勞極限圖，通常利用仿真方法獲得的危險(xiǎn)點(diǎn)處應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，該方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段具有很重要的意義[4]。

將軸橋各模擬運(yùn)行工況進(jìn)行有限元分析，選取軸橋上的8個(gè)危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)在不同運(yùn)行工況下的最大主應(yīng)力σmax及最小主應(yīng)力σmin，按下式計(jì)算各點(diǎn)的等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值：

各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表6所示，將等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值點(diǎn)入Goodman圖進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)定。如圖4所示，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果處在材料Goodman疲勞極限圖內(nèi)，因此疲勞強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果

圖4 軸橋的Goodman疲勞評(píng)定圖

4 結(jié)束語(yǔ)

上文介紹了一種采用整體鍛造工藝進(jìn)行制造的低地板車輛軸橋產(chǎn)品，參考EN 13104、EN 13979、EN 13749等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)極限載荷和運(yùn)行載荷下的軸橋進(jìn)行受力計(jì)算，采用有限元方法對(duì)軸橋的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算及評(píng)定，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

由于低地板車輛線路運(yùn)行環(huán)境與傳統(tǒng)車輛差別較大，軸橋沒有專門的受力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。文中的受力及計(jì)算方法綜合了車軸及轉(zhuǎn)向架類相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其他種類軸橋及低地板車輛的受力分析有一定的參考價(jià)值。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開始使用VDV 152進(jìn)行車輛的計(jì)算及評(píng)估，最新的VDV 152-2016對(duì)低地板車輛的強(qiáng)度分析及評(píng)定進(jìn)行了系統(tǒng)指導(dǎo)，公司項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了這方面的研究。