整體鍛造式低地板車輛軸橋有限元分析

方翁武 王起梁 宮 峰

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

整體鍛造式低地板車輛軸橋有限元分析

方翁武 王起梁 宮 峰

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

軸橋作為低地板有軌電車連接獨(dú)立輪對(duì)的關(guān)鍵部件，其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度直接關(guān)系到整車可靠性和安全性，因此有必要對(duì)軸橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行深入研究，采用有限元方法對(duì)整體鍛造式軸橋進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，軸橋結(jié)構(gòu)可以滿足極限工況靜強(qiáng)度要求和正常工況疲勞強(qiáng)度要求。

低地板車輛；鍛造式軸橋；靜強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度

針對(duì)日趨嚴(yán)重的城市擁堵、汽車尾氣污染以及社會(huì)人口老齡化，低地板有軌電車的出現(xiàn)順應(yīng)了社會(huì)的需求[1-2]。軸橋作為低地板車輛特有的關(guān)鍵部件之一，其質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，現(xiàn)在多采用合金鋼的整體鑄造式和整體鍛造式軸橋，相比較而言整體鍛造式軸橋的缺陷更少，成品率更高且鍛造工藝更加穩(wěn)定，量產(chǎn)后的價(jià)格低于整體鑄造式軸橋[3]，因此，整體鍛造式軸橋是發(fā)展趨勢(shì)。此外，軸橋的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度特性又直接影響整車的性能，因此研究低地板車輛整體鍛造式軸橋的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度對(duì)低地板有軌電車的推廣應(yīng)用具有重要的意義。

1 強(qiáng)度評(píng)定方法

1.1 靜強(qiáng)度評(píng)定

將車輛在運(yùn)行過程中很少遇到的極限載荷組合成各種極限工況，通過有限元方法計(jì)算出軸橋在各種極限工況下承受的最大應(yīng)力，考察材料抗拉極限、屈服極限與軸橋承受最大應(yīng)力的比值Sm、Sp，評(píng)估結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度是否能滿足使用要求。其中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。

1.2 疲勞強(qiáng)度評(píng)定

將車輛在運(yùn)行過程中經(jīng)常遇到的運(yùn)行載荷組合成各種運(yùn)行工況，通過有限元方法計(jì)算出軸橋各運(yùn)行工況下的應(yīng)力分布，選取軸橋有限元模型上各節(jié)點(diǎn)，并基于最大主應(yīng)力方向簡(jiǎn)化各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)成單軸應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算出各點(diǎn)最大應(yīng)力值σmax及最小應(yīng)力值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：

將計(jì)算出的各點(diǎn)等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值導(dǎo)入Goodman疲勞極限圖進(jìn)行疲勞評(píng)定[4-5]。

2 模型簡(jiǎn)化

在Pro/E中建立軸橋的三維模型，為了降低計(jì)算量與計(jì)算復(fù)雜性，在保證準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)特性的前提下對(duì)模型進(jìn)行了局部簡(jiǎn)化，刪除了一些小倒角與小孔，有限元模型采用四面體實(shí)體單元(見圖1)。

圖1 整體鍛造式軸橋的網(wǎng)格

3 載荷類型與計(jì)算工況

在有限元模型中的載荷作用位置生成參考點(diǎn)，通過耦合約束將參考點(diǎn)控制相應(yīng)的區(qū)域，將各工況下的集中力施加到參考點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的加載。

在確定各載荷的大小時(shí)，分別參考了BS EN 13104標(biāo)準(zhǔn)、涉及車輪完整性的BS EN 13979標(biāo)準(zhǔn)以及涉及車輛構(gòu)架負(fù)載的BS EN 13749標(biāo)準(zhǔn)。

軸橋承受的載荷分為運(yùn)行載荷和極限載荷，這些載荷組合成軸橋在車輛運(yùn)行中的不同計(jì)算工況。軸橋可能承受的所有基本載荷包括：垂直靜載荷、垂直動(dòng)載荷、車廂擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的載荷、橫向載荷、車輛變道時(shí)的載荷、縱向載荷、制動(dòng)載荷、預(yù)緊載荷、由一系彈簧扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的載荷、制動(dòng)器的慣性載荷等，并定義在運(yùn)行工況下這些載荷的大小為單位載荷。

根據(jù)上述相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將上述基本載荷組合成軸橋在車輛實(shí)際運(yùn)行中的各計(jì)算工況，得到26個(gè)運(yùn)行工況和13個(gè)極限工況的載荷，并約定基本載荷與坐標(biāo)系正方向一致為正，反之為負(fù)。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 運(yùn)行工況下的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)26個(gè)運(yùn)行工況，將實(shí)際計(jì)算載荷施加于有限元模型，得到軸橋在運(yùn)行工況下的Von Mises應(yīng)力，選取軸橋上不同部位的節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出這些節(jié)點(diǎn)在各運(yùn)行工況下的最大及最小應(yīng)力值，計(jì)算出各點(diǎn)平均應(yīng)力及應(yīng)力幅值。將各節(jié)點(diǎn)等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值導(dǎo)入Goodman圖進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)定，各節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果如圖2所示。圖2表明軸橋上所選各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值都處在材料Goodman疲勞極限圖內(nèi)，因此軸橋的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

圖2 Goodman疲勞評(píng)定圖

4.2 軸橋極限工況下的計(jì)算結(jié)果

各極限工況下軸橋承受的最大Von Mises應(yīng)力為235.6 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度800 MPa，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖3所示，各工況下的抗拉安全系數(shù)Sm與屈服安全系數(shù)Sp如表1所示。從表中可知遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Sm≥2，Sp≥1.5，完全滿足靜強(qiáng)度要求。

表1 極限工況下的計(jì)算結(jié)果

圖3 最大應(yīng)力云圖

5 結(jié)束語

利用有限元軟件對(duì)整體鍛造式軸橋進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明所選用的軸橋結(jié)構(gòu)能夠滿足各強(qiáng)度要求，完全滿足車輛的實(shí)際運(yùn)用。實(shí)際軸橋裝車考核的情況也表明，目前研制的軸橋選材、結(jié)構(gòu)合理，低地板電車運(yùn)行良好。

[1] 陳偉國(guó).70%低地板與100%低地板有軌電車的比較[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2015(1):19-23.

[2] 趙明花.100%低地板輕軌車關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備集成[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[3] 戚 援,吳志強(qiáng).低地板車輛用軸橋現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].軌道交通裝備與技術(shù)，2015(3):28-29.

[4] 姚 杰.低地板轉(zhuǎn)向架鋁合金軸橋結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，6(30):829-831.

[5] 葉洪巖,鄔平波.轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架靜強(qiáng)度分析及疲勞強(qiáng)度評(píng)估[J].鐵道機(jī)車車輛工人，2011(2):23.□

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)05-0048-02

2015-04-13

方翁武(1989-)，男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，從事齒輪箱箱體與吊桿、軸橋靜強(qiáng)度仿真分析工作。

TP39

B