輕軌車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計及構(gòu)架強度分析

彭玲陽，劉余龍，肖澤樺，黃曉青，彭愛林，吳才香

（中車株洲電力機車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲412000）

0 引言

經(jīng)濟的快速發(fā)展，綜合國力的增強，加速了鐵路行業(yè)的發(fā)展[1]。鐵路在城市發(fā)展、物流以及通勤客流等方面扮演著越來越重要的角色，轉(zhuǎn)向架作為車輛運行最關(guān)鍵的核心零部件，其在車輛運行壽命、行車安全中占有極其重要的地位，而構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的骨架，是轉(zhuǎn)向架其他零部件的安裝基礎(chǔ)，承受各零部件所產(chǎn)生的載荷[2]。

周英雄等[3]通過對高速動車組構(gòu)架的安全性進行計算分析，已驗證其結(jié)構(gòu)的強度符合設(shè)計要求。陳曉峰[4]等通過對機車構(gòu)架的靜強度及疲勞強度分析以評估構(gòu)架設(shè)計的強度要求，為機車構(gòu)架的研制提供理論依據(jù)。

本研究以輕軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，基于分析軟件HyperMesh建立對應(yīng)的構(gòu)架三維有限元模型。根據(jù)UIC615-4標(biāo)準對構(gòu)架施加靜強度及疲勞強度工況載荷約束，并有限元分析軟件把在HyperMesh中分析設(shè)置好的模型導(dǎo)入有限元分析軟件求解各工況下的載荷應(yīng)力。針對不同的載荷應(yīng)力進行優(yōu)化，最終完成構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計以及構(gòu)架的靜強度和疲勞強度，使之滿足設(shè)計要求。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)

輕軌車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計包含“H”型構(gòu)架、一系懸掛裝置、搖枕、二系懸掛裝置、電機和齒輪箱裝置、掃石器、液壓制動裝置、磁軌制動裝置、輪緣潤滑裝置等組件。其中構(gòu)架側(cè)梁中部設(shè)置有凹陷區(qū)域，用于放置二系懸掛裝置，在橫梁頂部設(shè)有與車體連接的搖枕裝置，搖枕兩端置于二系懸掛裝置正上方；在每個側(cè)梁中部凹陷區(qū)域的外側(cè)面上固定連接有拉桿安裝座，且在搖枕兩端分別沿垂向向下延伸設(shè)有懸臂，在每個懸臂與其同側(cè)的拉桿安裝座之間均設(shè)有拉桿，拉桿一端安裝于拉桿安裝座、另一端與懸臂下端固定連接，由懸臂、拉桿安裝座、拉桿三者裝配連接的兩套結(jié)構(gòu)關(guān)于構(gòu)架的中心軸旋轉(zhuǎn)對稱，且旋轉(zhuǎn)角度α為180°。通過對搖枕結(jié)構(gòu)的改進以及牽引點的設(shè)計優(yōu)化，以達到實現(xiàn)輕軌車輛的低位牽引效果，提高車輛運行的粘著利用率，且不占用構(gòu)架橫梁的空間。其轉(zhuǎn)向架三維模型如圖1所示。

圖1 輕軌車轉(zhuǎn)向架三維模型

其中轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為鋼管、冷軋鋼板以及鑄件焊接而成的“H”型結(jié)構(gòu)，構(gòu)架包括側(cè)梁、垂直于側(cè)梁中間位置的橫梁。橫梁由兩根沿縱向間隔分布設(shè)置的管體等零部件組成，其中橫向止檔座組件橫跨在兩個沿縱向間隔設(shè)置的管體中間，磁軌制動器位于管體的正下方，且磁軌制動器的兩端分別通過過渡座組件與位于同側(cè)的兩個連接座連接。在側(cè)梁外側(cè)面上橫向伸出設(shè)有擋塊。在懸臂上沿縱向設(shè)置有水平的支撐塊，橫梁沿管體軸線方向兩側(cè)對角設(shè)置有制動器座，液壓制動裝置固定在構(gòu)架的制動器座上，通過液壓驅(qū)動對整個轉(zhuǎn)向架起到制動效應(yīng)。其構(gòu)架三維模型如圖2所示。

圖2 輕軌車構(gòu)架三維模型

整個構(gòu)架通過焊接組成，構(gòu)架整體焊接必須滿足EN15085體系標(biāo)準的要求。其材料的屈服極限和強度極限分別為325 MPa和510 MPa。

2 構(gòu)架強度計算

參考國際鐵路聯(lián)盟對UIC615-4《動力車-轉(zhuǎn)向架和走行部-構(gòu)架結(jié)構(gòu)強度試驗》標(biāo)準中所規(guī)定的構(gòu)架計算載荷和載荷工況實施，對輕軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行了超常載荷工況和模擬運營載荷工況的靜強度和疲勞強度計算。基于HyperMesh處理軟件以及ANSYS軟件建立了構(gòu)架有限元分析計算模型，將構(gòu)架有限元計算模型導(dǎo)入HyperMesh軟件進行網(wǎng)格劃分以及分析前處理設(shè)置，其構(gòu)架網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

2.1 超常載荷工況

超常載荷是運用運行過程中可能發(fā)生的最大載荷，按照UIC615-4國際標(biāo)準，用于評估構(gòu)架的靜強度，構(gòu)架軸重按照13t計算，主要的超常載荷如下：

（1）超常垂向載荷

（2）超常橫向載荷

其中：nb為轉(zhuǎn)向架數(shù)量、mc為車體重量、c1為每個座位按每個乘客80 kg計算、mym為動力車搖枕和回轉(zhuǎn)支承的重量、myt為非動力車搖枕和回轉(zhuǎn)支承的重量、為動力轉(zhuǎn)向架質(zhì)量、為非動力轉(zhuǎn)向架質(zhì)量

（3）其他載荷

包括軌道扭曲載荷、電機啟動超常載荷、3 g縱向加速度沖擊載荷、短路超常載荷、緊急制動超常載荷、振動超常載荷等。

超常載荷中，垂向載荷、橫向載荷為基本載荷，然后分別疊加其他幾種載荷中的一種，組成超常載荷工況見表1。

表1 構(gòu)架超常載荷工況

2.2 模擬運營載荷工況

模擬運營載荷是模擬實際運用中經(jīng)常發(fā)生的載荷，按照UIC615-4國際標(biāo)準，用于評估構(gòu)架的疲勞強度。主要的模擬運營載荷如下。

（1）垂向載荷

（2）橫向載荷

（3）其他載荷

包括軌道扭曲載荷、縱向載荷、轉(zhuǎn)矩、制動振動載荷等。模擬運營載荷中，垂向載荷、橫向載荷為基本載荷，然后分別疊加上其他的載荷，組成模擬因牽引電機慣性引起的動態(tài)運營載荷工況，見表2。根據(jù)標(biāo)準UIC615-4，主要運營和超常工況的組合見1、表2?？紤]到車體有側(cè)滾以及浮沉的影響，取車體側(cè)滾運動系數(shù)α=0.1，車體浮沉運動系數(shù)β=0.2。

表2 模擬運營載荷工況組合表

3 計算結(jié)果及應(yīng)力評定

應(yīng)力評定標(biāo)準采用UIC615-4規(guī)范，將計算模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，計算構(gòu)架超常狀態(tài)的靜強度和模擬運營狀態(tài)的疲勞強度。

3.1 超常狀態(tài)的靜強度評定

各超常載荷單獨及組合作用下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架任何點的應(yīng)力均不能超過材料的屈服極限，即工況1～3的垂向以及橫向載荷，構(gòu)架各點Von_Mises應(yīng)力均小于材料的屈服極限325 MPa。計算結(jié)果表明，最大應(yīng)力為192.26 MPa，出現(xiàn)在側(cè)梁上蓋板與橫梁對接圓弧區(qū)域，計算結(jié)果滿足要求。對于工況4-8的其他組合工況，構(gòu)架各點Von_Mises應(yīng)力均小于材料的極限強度325 MPa。計算結(jié)果表明，最大應(yīng)力為240.58 MPa，出現(xiàn)在一系簧座與下蓋板對接過渡圓弧處，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求。

3.2 模擬運營狀態(tài)的疲勞強度評定

選取構(gòu)架中應(yīng)力較大各點，針對計算1～13的單獨及組合工況，基于最大主應(yīng)力方向簡化各點應(yīng)力狀態(tài)成單軸應(yīng)力狀態(tài)，計算出各應(yīng)力點的極限應(yīng)力值σmax和σmin，按下式計算各點的等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力的應(yīng)力幅值。

對于工況1～13，將各節(jié)點的等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值結(jié)果導(dǎo)入到Good-man圖進行疲勞強度評估，構(gòu)架各節(jié)點疲勞強度評定結(jié)果見圖4所示。

圖4 構(gòu)架Goodman疲勞曲線圖

從圖中以看出，構(gòu)架上所有模型節(jié)點的疲勞強度均位于Goodman疲勞極限曲線內(nèi)。計算結(jié)果表明，構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)和焊縫疲勞強度滿足設(shè)計要求，并具有一定的強度儲備。

4 結(jié)論

根據(jù)UIC615-4標(biāo)準，利用HyperMesh劃分實體網(wǎng)格，通過分析，在超常載荷的各種單獨及組合工況下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的應(yīng)力均小于材料的屈服極限，3g沖擊載荷工況的應(yīng)力小于材料的強度極限，滿足靜強度要求，并且具有一定的強度儲備。在模擬運用載荷作用下，通過對構(gòu)架所有節(jié)點的13種載荷工況的分析，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架各節(jié)點的應(yīng)力幅值均不超過母材和焊縫的Goodman疲勞極限圖，滿足疲勞強度要求。