懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)研究

吳會(huì)超

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

懸掛式單軌屬于單軌交通系統(tǒng)之一，它不僅視野開(kāi)闊、極具旅游觀光性，而且占地面積非常小、造價(jià)低、適應(yīng)性強(qiáng)，在我國(guó)的某些旅游城市得到了推廣和應(yīng)用。其中，懸掛式單軌交通的軌道梁作為客運(yùn)車(chē)輛的主要承載部件，直接關(guān)系到所有乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此開(kāi)發(fā)一款懸掛式單軌綜合作業(yè)車(chē)用于軌道梁的缺陷檢查和維修是非常有必要的。而轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為懸掛式單軌綜合作業(yè)車(chē)的關(guān)鍵部件之一，在行車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要承受來(lái)自各個(gè)方向的動(dòng)態(tài)載荷作用，還要傳遞過(guò)彎道時(shí)所需的離心力以及電機(jī)牽引產(chǎn)生的縱向力。在這些惡劣載荷的作用下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架容易產(chǎn)生疲勞裂紋，因此針對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行強(qiáng)度性能試驗(yàn)和評(píng)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(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度評(píng)估方法和標(biāo)準(zhǔn)都還沒(méi)有，相關(guān)的研究也比較少。文獻(xiàn)［1-2］詳細(xì)介紹了懸掛式單軌客車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)，并利用有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化分析，使其滿足設(shè)計(jì)和使用要求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)傳統(tǒng)軌道車(chē)輛的構(gòu)架在強(qiáng)度評(píng)估方面做了大量工作。比如，盧耀輝等采用板殼和實(shí)體2種構(gòu)架有限元模型，針對(duì)多軸應(yīng)力狀態(tài)下的構(gòu)架疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析［3］。郭同生等采用有限元方法對(duì)HXD2機(jī)車(chē)構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了校核計(jì)算［4］。蘭清群等采用試驗(yàn)的方法對(duì)軌檢車(chē)的構(gòu)架疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析和研究［5］。針對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度分析通常采用多軸疲勞強(qiáng)度理論，以最大應(yīng)力和最小應(yīng)力結(jié)合Goodman 圖進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)［6］提出了一種基于矢量投影的構(gòu)架疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法，并詳細(xì)闡述了其原理和計(jì)算過(guò)程。肖守訥等在投影法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用二階張量坐標(biāo)變換的方式，提出一種多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力的張量法［7］。楊冰等考慮常規(guī)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(gòu)架疲勞強(qiáng)度評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性［8］。

文中將以懸掛式單軌綜合作業(yè)車(chē)的轉(zhuǎn)向構(gòu)架為研究對(duì)象，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究成果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)及評(píng)估，從而為懸掛式單軌構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 載荷工況分析

懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架主要有構(gòu)架、走行輪、牽引電機(jī)、懸掛系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。其中，構(gòu)架包含上構(gòu)架和懸吊裝置梁，2 個(gè)部件之間通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐軸承進(jìn)行連接。上構(gòu)架通過(guò)人字型橡膠簧和轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)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(guò)錐型橡膠簧、橫向止擋、橫向減振器、牽引拉桿等與車(chē)體相連，用于傳遞縱向力、橫向力和垂向力。牽引電機(jī)通過(guò)螺栓與上構(gòu)架相連，傳遞牽引扭矩。制動(dòng)夾鉗固接在電機(jī)外殼上相當(dāng)于與上構(gòu)架剛性連接，用于傳遞制動(dòng)力。

圖1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

依據(jù)EN 13749 和TB 3549.1 標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定［9-10］，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的載荷工況分為超常載荷工況和模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況。根據(jù)懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)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(jìn)行垂向約束，實(shí)際載荷加載情況如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(zhuǎn)向架質(zhì)量，kg。

（2）橫向載荷

式中：mv為整車(chē)總重量，t；v為車(chē)輛運(yùn)行速度，m/s；p為允許的最大風(fēng)壓，N/m2；Ac為車(chē)體受風(fēng)面積，m2。

懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架的橫向載荷主要來(lái)自于過(guò)曲線時(shí)的離心力和風(fēng)載，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架標(biāo)準(zhǔn)中取最大輪軸橫向力作為橫向載荷的計(jì)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(dān)，載荷分布后的大小為：

（3）制動(dòng)載荷

緊急制動(dòng)產(chǎn)生的最大制動(dòng)減速度為1.2 m/s2，超常載荷工況下制動(dòng)載荷要取緊急制動(dòng)名義載荷的1.3 倍。

轉(zhuǎn)向架走行輪的半徑為R，而制動(dòng)盤(pán)的半徑為r，每個(gè)轉(zhuǎn)向架上只安裝了1 個(gè)制動(dòng)盤(pán)，因此制動(dòng)盤(pán)上的作用力為：

（4）慣性載荷

慣性載荷主要來(lái)自于牽引電機(jī)，其大小為：

（5）電機(jī)牽引附加載荷

車(chē)輛最大牽引加速度為1 m/s2，超常工況下應(yīng)取名義牽引載荷的1.3 倍，牽引工況時(shí)構(gòu)架還要受到電機(jī)的反力矩作用。

（6）電機(jī)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(yīng)為名義卸荷力的2 倍。

根據(jù)以上載荷工況的設(shè)置，可以形成超常載荷工況組合表，具體見(jiàn)表1。

表1 超常載荷工況

1.2 模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在車(chē)輛正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，承受著復(fù)雜的載荷狀態(tài)，包括垂向載荷、橫向載荷、牽引載荷、制動(dòng)載荷等等，其大小和設(shè)置均與超常載荷工況不同。

（1）垂向載荷

（2）橫向載荷

模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下，通過(guò)的最小曲線半徑為50 m，最大通過(guò)速度為20 km/h，進(jìn)行載荷分布計(jì)算后得到：

（3）制動(dòng)載荷

常用制動(dòng)產(chǎn)生的最大制動(dòng)減速度為1 m/s2，模擬運(yùn)營(yíng)工況下制動(dòng)載荷要取名義載荷的1.1 倍。

制動(dòng)盤(pán)上的作用力為：

（4）慣性載荷

（5）電機(jī)牽引附加載荷

模擬運(yùn)營(yíng)工況下電機(jī)牽引附加載荷應(yīng)取名義牽引載荷的1.1 倍，同時(shí)承受電機(jī)牽引的反扭矩。

（6）減振器載荷

模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下，橫向減振器載荷應(yīng)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(yùn)營(yíng)組合工況表，見(jiàn)表2。

表2 模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況

2 構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)概況

在某中心進(jìn)行了懸掛式單軌構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)，構(gòu)架試驗(yàn)臺(tái)情況如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)

2.1.1 貼片位置

構(gòu)架強(qiáng)度測(cè)試之前首先要進(jìn)行應(yīng)變片布點(diǎn)，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，應(yīng)變測(cè)量位置總共設(shè)計(jì)了45 個(gè)。其中，測(cè)量位置30~45 的應(yīng)變片為單向應(yīng)變片，其余測(cè)量位置為三向應(yīng)變片。具體貼片位置如圖4 所示。

圖4 應(yīng)變片貼片位置

2.1.2 構(gòu)架強(qiáng)度評(píng)估方法

懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度評(píng)估方法主要參照TB/T 3549.1 標(biāo)準(zhǔn)，2 種工況的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分別進(jìn)行評(píng)估。

（1）超常載荷工況評(píng)估方法

懸掛式單軌構(gòu)架的材料為Q345D，屈服強(qiáng)度為345 MPa。確保構(gòu)架在超常載荷工況下不產(chǎn)生永久變形，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的Von-Mises 應(yīng)力不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，Von-Mises 應(yīng)力的計(jì)算公式為式（1）：

（2）模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況評(píng)估方法

TB/T 3549.1 標(biāo)準(zhǔn)中推薦的構(gòu)架疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法為疲勞極限法。構(gòu)架在進(jìn)行完模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況強(qiáng)度試驗(yàn)后，對(duì)于每個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄各個(gè)工況下的應(yīng)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(jì)算得到平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅σa。

將各個(gè)測(cè)點(diǎn)得到的平均應(yīng)力σm及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力最大值σmax和應(yīng)力最小值σmin輸入到Goodman 疲勞極限圖中，如果沒(méi)有超出疲勞極限圖的測(cè)點(diǎn)，表明構(gòu)架滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

關(guān)于測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大值σmax和最小值σmin的計(jì)算方法問(wèn)題，傳統(tǒng)投影法存在一定的局限性，文中將采用文獻(xiàn)［8］中提出的一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)后更準(zhǔn)確的球面方向余弦族法，其對(duì)應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)，σmax和σmin按照以下方法進(jìn)行計(jì)算。

（1）假設(shè)構(gòu)架中存在某點(diǎn)O，以O(shè)為原點(diǎn)建立單位長(zhǎng)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(gè)。

（2）假定構(gòu)架中的某點(diǎn)O共經(jīng)歷了t個(gè)載荷工況，圍繞點(diǎn)O構(gòu)建的余弦族包含p個(gè)方向，在某工況i下，O點(diǎn)的3 個(gè)方向主應(yīng)力在方向余弦族中任選一個(gè)方向nj進(jìn)行投影和疊加，得到應(yīng)力σeij為式（3）：

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

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）超常載荷工況試驗(yàn)結(jié)果

超常載荷工況下，構(gòu)架的各個(gè)部位未發(fā)現(xiàn)永久變形，文中選取了幾個(gè)最大應(yīng)力點(diǎn)見(jiàn)表3。從表3 可以看出，測(cè)點(diǎn)的最大Von-Mises 應(yīng)力均小于材料的屈服極限，表明構(gòu)架滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表3 等效應(yīng)力結(jié)果單位：MPa

（2）模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況試驗(yàn)結(jié)果

將模擬運(yùn)營(yíng)工況試驗(yàn)得到的每個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均應(yīng) 力σm、最 大 值σmax和 最 小 值σmin帶 入Goodman 疲勞極限圖，得到結(jié)果如圖5 所示。

圖5 疲勞強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

從圖5 中可以看出，構(gòu)架所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值都在Goodman 疲勞極限圖內(nèi)，表示在一定的疲勞壽命期限內(nèi)構(gòu)架不會(huì)發(fā)生疲勞破壞現(xiàn)象，構(gòu)架滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

基于鐵路車(chē)輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)EN 13749 和TB 3549.1，制定了懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度評(píng)估典型載荷工況表，并進(jìn)行構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)，得到如下試驗(yàn)結(jié)論：

（1）超常載荷工況下，構(gòu)架未發(fā)現(xiàn)永久變形，且最大Von-Mises 應(yīng)力為221.71 MPa，遠(yuǎn)小于Q345D 材料的屈服極限，滿足構(gòu)架的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

（2）模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下，根據(jù)疲勞極限法對(duì)構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果表明構(gòu)架滿足30 年疲勞壽命設(shè)計(jì)要求。