戴鑫亮 王伯銘

(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，610031，成都//第一作者，碩士研究生)

搖枕作為懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架的重要組成元件之一，是整個轉(zhuǎn)向架的主要承載件。其功能包括傳遞車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向力、縱向力和垂向力，提供二系懸掛元件的安裝位置，以及限制車體與轉(zhuǎn)向架的相對擺角等。搖枕可靠性的高低對整車的安全性以及平穩(wěn)性有較大影響。目前，與懸掛式單軌相關(guān)的標準、規(guī)范尚未成型，本文以EN 13749、UIC 515標準為基礎(chǔ)，結(jié)合懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架在實際運用過程中的特性，推演出懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架搖枕的載荷工況，用于其靜強度以及疲勞強度的分析。

1 搖枕有限元模型建立

搖枕整體結(jié)構(gòu)主要由薄板與中心實體部分焊接而成，通過UG軟件建立其三維模型(見圖1)，將其幾何外形導(dǎo)入Hypermesh軟件中進行有限元前處理。在建立搖枕有限元模型時采用2D殼單元對搖枕薄板進行劃分，對于搖枕中部實體部分采用3D實體單元進行網(wǎng)格劃分。整個有限元模型(見圖2)共使用S4R單元171 061個，C3D4單元142 632個，Beam單元32個。

圖1 搖枕結(jié)構(gòu)三維模型

圖2 搖枕有限元模型

2 載荷及邊界條件確定

本文根據(jù)EN 13749以及UIC 515相關(guān)規(guī)定，在計算懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架搖枕時主要考慮其所承受的橫向力、縱向力、垂向力，以及側(cè)風(fēng)等4項基本載荷，并且加入減振器、抗側(cè)滾扭桿，以及空氣彈簧輔助氣室內(nèi)壓等附加載荷。計算過程中各個變量的含義如表1所示。

表1 變量含義說明

搖枕整體為對稱結(jié)構(gòu)，中部設(shè)有可沿x軸旋轉(zhuǎn)的承載銷，承載銷限定了搖枕沿x、y、z方向的平動，以及沿y、z方向的轉(zhuǎn)動。為限制搖枕沿x方向的轉(zhuǎn)角，搖枕中心上表面設(shè)有搖擺止擋。垂向力作用在搖枕上空氣彈簧座位置，縱向力作用在牽引拉桿安裝座上，而橫向力較小時主要作用于空氣彈簧，當橫向力較大時由空氣彈簧和橫向止擋共同承擔(dān)。圖3為搖枕邊界條件。

注：1——空氣彈簧安裝座；2——橫向止擋；3——牽引拉桿安裝座；4——搖擺止擋(安裝于中心銷上)；5——承載銷

3 搖枕工況組合

搖枕的工況組合主要考慮在超常工況下的基本載荷與附加載荷的組合，以及運營工況下的基本載荷與附加載荷的組合。

3.1 基本載荷工況組合

基本載荷工況主要包含搖枕所受橫向力、垂向力、縱向力以及側(cè)風(fēng)。由于需考慮車體因側(cè)滾和沉浮而導(dǎo)致的搖枕兩側(cè)空氣彈簧受力不一致，所以將垂向力及其對應(yīng)的橫向力進行關(guān)聯(lián)組合。

根據(jù)UIC 515-4所規(guī)定，基本載荷組合共有12種工況(見表2)。對于超常工況，垂向載荷Fz=Fe，z，橫向載荷Fy=Fe，y，縱向載荷Fx=Fe，x，F(xiàn)w=Fe，w；對于運營工況，F(xiàn)z=Fn，z，F(xiàn)y=Fn，y，F(xiàn)x=Fn，x，F(xiàn)w=Fn，w。設(shè)置縱向載荷Fx在列車起動時為正，在列車制動時為負。

表2 基本載荷工況

3.2 附加載荷工況

附加載荷主要包括抗側(cè)滾扭桿、減振器載荷，以及空氣彈簧輔助氣室的內(nèi)壓，其組合工況為：工況1=Fa,z+Fa,b+Pa,s，工況2=Fa,t+Fa,z+a,y+Fa,b+Pa,s,工況3=-Fa,t+Fa,z-Fa,y-Fa,b+Pa,s。其中，F(xiàn)a,t為斜置減振器載荷，F(xiàn)a,z為垂向減振器載荷，F(xiàn)a,y為橫向減振器載荷，Pa,s為空氣彈簧輔助氣室內(nèi)壓(超常工況時取值為0.55 MPa，運營工況時取值為0.52 MPa)。

3.3 模擬超常工況

超常工況是指列車在運用過程中可能會出現(xiàn)但出現(xiàn)概率很低的工況，對于超常工況需保證材料所受應(yīng)力不超過其屈服極限以防止發(fā)生永久變形。

本文通過對基本載荷和附加載荷進行組合共得12種工況，表3列出了其中的6種工況。EN 13749靜強度試驗標準規(guī)定，對于地鐵、輕軌等軌道交通制式，超常工況通常出現(xiàn)在列車通過曲線和道岔時。由于懸掛式單軌通過道岔的機理與傳統(tǒng)的輪軌接觸不同，故本文僅考慮列車通過曲線時的超常載荷。

3.4 模擬運營工況

根據(jù)EN 13749標準規(guī)定，運營工況需考慮列車通過直線、道岔以及曲線時的受力情況，考慮到懸掛式單軌的道岔通過形式與傳統(tǒng)輪軌接觸不同，所以在本文中僅對曲線和直線工況進行考慮。通過對基本載荷和附加載荷進行組合，本文共得到49種運營工況，表4中列出了其中的12種組合工況。

表3 部分超常載荷工況

表4 部分運營載荷工況

4 計算結(jié)果與分析

4.1 靜強度計算結(jié)果

根據(jù)第四強度理論，通過大型有限元計算軟件ABAQUS計算分析得，在模擬超常載荷工況下，Top面應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工況10和工況12，其最大值均為177.6 MPa；最大應(yīng)力點出現(xiàn)的位置如圖4所示。Bottom面應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工況6和工況8，其最大值均為151.2 MPa，最大應(yīng)力點出現(xiàn)位置如圖5所示。懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架搖枕材料為Q345低合金高強度鋼，根據(jù)UIC 515-4規(guī)定，對于超常運營工況，材料許用應(yīng)力為314 MPa[1]。

在運營載荷工況下，Top面最大應(yīng)力值出現(xiàn)在工況44、45，其值均為164.7 MPa，其應(yīng)力最大點出現(xiàn)位置如圖6所示。Bottom面最大應(yīng)力值出現(xiàn)在工況48、49，其值均為143.6 MPa，其應(yīng)力最大點出現(xiàn)位置如圖 7 所示。根據(jù)UIC 515-4規(guī)定，超常運營工況下Q 345的許用應(yīng)力為216 MPa[1]。

a) 工況10

b) 工況12

a) 工況6

b) 工況8

a) 超常工況44

b) 超常工況45

對于超常載荷工況與運營載荷工況，搖枕結(jié)構(gòu)均能滿足強度要求。由于搖枕整體結(jié)構(gòu)沿y方向?qū)ΨQ，在不同載荷的組合結(jié)果中需考慮對稱加載的問題，因此，搖枕的最大應(yīng)力出現(xiàn)位置也呈現(xiàn)出對稱的趨勢。其應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在搖枕內(nèi)部加強筋與下底板的焊接位置，從搖枕整體的設(shè)計結(jié)構(gòu)來看這種結(jié)果是合理的。

a) 工況48

b) 工況49

4.2 疲勞強度分析

通過靜強度的分析結(jié)果可知，搖枕受力較大位置出現(xiàn)在內(nèi)部加強筋與下底板的焊縫處，因此，本文在疲勞強度分析中提取了搖枕內(nèi)部加強筋與上蓋板、下底板焊縫處的節(jié)點，采用ERRI B12/RP17報告中提出的基于疲勞裂紋拓展方向與最大主應(yīng)力方向垂直的原理進行分析。其主要方法為計算各個工況下節(jié)點的最大應(yīng)力σmax、最小應(yīng)力σmin和平均應(yīng)力σm，利用Simth形式修正的Goodman疲勞極限圖對其進行疲勞判定[3]。

搖枕Bottom面與Top面的Goodman疲勞極限圖如圖8所示。根據(jù)計算結(jié)果可知，無論是搖枕的Bottom面還是Top面，其節(jié)點平均主應(yīng)力，以及最大和最小主應(yīng)力均落在對接焊縫的包絡(luò)線內(nèi)，因此該搖枕加強筋處焊縫滿足疲勞強度要求。

5 結(jié)語

懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)具有多樣性，目前我國并沒有針對懸掛式單軌制定出相關(guān)的強度計算標準。本文參照UIC 515以及EN 13749標準中對于輕軌、有軌電車的相關(guān)規(guī)定對懸掛式單軌搖枕進行了強度分析，其靜強度、疲勞強度均滿足相關(guān)要求。但是，由于懸掛式單軌不同于傳統(tǒng)城市軌道交通制式，所以需研究、分析傳統(tǒng)標準中的部分數(shù)值是否適用于懸掛式單軌，并且建立出一套適用于懸掛式單軌的強度計算標準。

a) 搖枕Bottom面

b) 搖枕Top面