姚 杰

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804)

0 引言

作為低地板轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的新趨勢(shì)，一級(jí)懸掛低地板轉(zhuǎn)向架已被國(guó)外企業(yè)所采納和使用.該類(lèi)轉(zhuǎn)向架只有一級(jí)懸掛，相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架在高度上能提供更大的降低空間，車(chē)間懸掛位于軸箱位置，與傳統(tǒng)低地板轉(zhuǎn)向架相比有更佳的點(diǎn)頭及搖頭穩(wěn)定性，因而應(yīng)用于速度較低的低地板列車(chē)上有一定優(yōu)勢(shì).但一級(jí)懸掛也不可避免的帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題:絕大部分裝置將直接安裝于轉(zhuǎn)向架上，造成簧下質(zhì)量過(guò)大.因此一級(jí)懸掛低地板轉(zhuǎn)向架需要采用輕量化設(shè)計(jì)才能緩解或避免簧下重量過(guò)大的弊端.軸橋作為低地板轉(zhuǎn)向架重要部分，一級(jí)懸掛軸橋與傳統(tǒng)低地板軸橋有所不同，國(guó)內(nèi)也缺少對(duì)該類(lèi)軸橋的研究.因此設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于該種轉(zhuǎn)向架的鋁合金軸橋，并依據(jù)UIC615－4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軸橋進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度校核.

1 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)選擇

1.1 材料與加工

采用鋁合金材料是輕量化設(shè)計(jì)的普遍選材，以鋁合金替代傳統(tǒng)鑄鋼、鑄鐵件，保證部件強(qiáng)度韌性同時(shí)減輕重量.鋁合金鍛件的優(yōu)點(diǎn)，即為內(nèi)部組織細(xì)密、均勻、無(wú)缺陷，其可靠性高于鋁合金鑄件.鋁合金鍛件還具有良好的耐腐蝕性、導(dǎo)熱性和非磁性，這些都是傳統(tǒng)鑄鋼件所無(wú)法比擬的.鍛造方式采用尺寸較易控制的模鍛工藝，由于鍛鋁材料不宜采用焊接及攻絲處理，因此整個(gè)軸橋的聯(lián)接方式采用對(duì)穿孔螺栓方式聯(lián)接.

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

模鍛鋁方式無(wú)法采用鑄件的空腔結(jié)構(gòu)，宜與其他部件采用對(duì)穿孔螺栓聯(lián)接，因此鍛鋁軸橋在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)鑄鋼軸橋有較多不同.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮到鍛造特點(diǎn)，所有轉(zhuǎn)角部位均設(shè)計(jì)為圓角形式，以減少銳角效應(yīng)和應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高承載能力.在尺寸變化較大部位采用鈍角斜面配合大圓角的組合設(shè)計(jì)，保證鍛造中的金屬流動(dòng)性，彎軸底部采用倒梯形設(shè)計(jì)，便于退模.

圖1 鍛鋁軸橋示意圖

表1 2014－T6鋁合金力學(xué)性能參數(shù)

1.3 材料特點(diǎn)

鍛鋁材料采用2014鋁合金，2014合金是鍛鋁中的典型合金，該鋁合金的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、有較好的熱塑性、能承受較高應(yīng)力.該材料為輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，用于高負(fù)荷結(jié)構(gòu)件，其T6狀態(tài)具有較好的強(qiáng)度和韌性，而質(zhì)量較鋼大大降低.

圖2 疲勞強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)示意圖

圖3 超常載荷工況1

圖4 超常載荷工況2

圖5 超常載荷工況4

2 載荷及工況確定

2.1 超常靜載荷工況

超常載荷主要考慮垂向載荷、垂向脫軌載荷、橫向載荷及縱向沖擊載荷，參考UIC615－4得到工況組合表(見(jiàn)表2)及各載荷施加位置，根據(jù)螺栓聯(lián)接特性及載荷方向，確定載荷具體位置.

表2 超常載荷工況組合表

由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，改變橫向載荷方向不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果有影響.但縱向載荷方向變化對(duì)軸橋強(qiáng)度有較大的影響.取產(chǎn)生最大應(yīng)力方向?yàn)榭v向載荷施加方向，故縱向載荷方向?yàn)槭箍v梁連接座受拉伸作用.因此實(shí)際計(jì)算過(guò)程只需考慮1，2，4這三種載荷工況，簡(jiǎn)化計(jì)算分析過(guò)程.

圖6 材料的Goodman Smith圖及疲勞分析結(jié)果

2.2 運(yùn)營(yíng)疲勞載荷工況

主要運(yùn)營(yíng)載荷分為:垂向載荷及橫向載荷，于縱向梁連接座的牽引載荷，位置與超常載荷相同.由于低地板列車(chē)的自身特點(diǎn)，低地板列車(chē)軌道建于普通公路，在軌道線路方面特別是曲線方面與傳統(tǒng)軌道線路有所不同，即在通過(guò)曲線時(shí)不存在超高工況，因此線路扭曲載荷不作為主要運(yùn)營(yíng)載荷.

根據(jù)軸橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇應(yīng)力較大及易發(fā)生疲勞裂紋的7個(gè)點(diǎn)為疲勞強(qiáng)度評(píng)估測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖2).

3 強(qiáng)度校核

利用Hypermesh與ANSYS軟件對(duì)軸橋進(jìn)行強(qiáng)度分析校核，從理論上觀察了解該軸橋在各載荷工況下的應(yīng)力分布情況.處理時(shí)簡(jiǎn)化軸橋結(jié)構(gòu)，移除小半徑圓角過(guò)渡改為直角，分析結(jié)果不會(huì)與實(shí)際情況產(chǎn)生較大誤差.

3.1 靜強(qiáng)度分析

由超常載荷分析結(jié)果(見(jiàn)圖3，4，5)不難發(fā)現(xiàn)，軸橋超常載荷最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在軸端凸臺(tái)上側(cè)附近，即軸承安裝約束位置，最大von Mises應(yīng)力為139.659MPa，小于鋁合金2014－T6的屈服極限.分析結(jié)果表明，軸橋在超常載荷作用下不會(huì)出現(xiàn)屈服變形，滿(mǎn)足工作需要.

3.2 疲勞載荷分析

采用Goodman疲勞強(qiáng)度曲線圖法評(píng)估構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度.該方法的評(píng)定原則是構(gòu)架上各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力在線圖的規(guī)定范圍內(nèi).

應(yīng)力幅:

平均應(yīng)力:

疲勞應(yīng)力結(jié)果計(jì)算方法:各載荷單獨(dú)施加于軸橋，記錄軸橋各測(cè)點(diǎn)與該載荷相對(duì)應(yīng)力，采用合成疊加方式計(jì)算各測(cè)點(diǎn)全工況下最大應(yīng)力及最小應(yīng)力.根據(jù)實(shí)際分析需要，對(duì)軸橋分別施加4種載荷:垂向靜載荷、1.3倍垂向靜載荷、橫向載荷及縱向牽引載荷，輸出各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力.

疊加原則依據(jù)為:1)各載荷最大值同時(shí)發(fā)生，則最大疲勞為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力線性相加;2)各載荷最大值隨機(jī)產(chǎn)生無(wú)必然聯(lián)系，則最大疲勞應(yīng)力為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的平方和開(kāi)方:

最大載荷同時(shí)產(chǎn)生:

最大載荷隨機(jī)產(chǎn)生:

以上兩種疊加方式中，第一種線性方式較第二種所得出疲勞應(yīng)力數(shù)值更大分析結(jié)果也更為惡劣.考慮到結(jié)構(gòu)的疲勞安全性，故使用第一種方式進(jìn)行疊加，雖然應(yīng)力計(jì)算結(jié)果較實(shí)際情況有放大，但更能證明結(jié)構(gòu)的可靠性.

結(jié)合各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，計(jì)算出最大最小應(yīng)力(見(jiàn)表3)，繪制測(cè)點(diǎn)與材料的Goodman－Smith疲勞分析結(jié)果圖(見(jiàn)圖6).

表3 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

由結(jié)果可知，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果均在 Goodman－Smith疲勞極限范圍之內(nèi)，表明該軸橋滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度要求.

4 結(jié)束語(yǔ)

參考UIC615－4標(biāo)準(zhǔn)，利用ANSYS有限元軟件對(duì)一系懸掛低地板轉(zhuǎn)向架軸橋進(jìn)行計(jì)算校核，對(duì)軸橋靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析.分析結(jié)果表明軸橋的結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足各強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)、選材比較合理，能夠滿(mǎn)足列車(chē)的使用及運(yùn)行要求.

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