磁懸浮列車下滑臺(tái)結(jié)構(gòu)研究

李兆盈+樊強(qiáng)+米麗艷

摘 要：介紹了時(shí)速160公里磁懸浮列車下滑臺(tái)的工作特點(diǎn)，著重介紹了焊接結(jié)構(gòu)和鑄造結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比。

關(guān)鍵詞：磁懸浮列車；焊接結(jié)構(gòu)；鑄造結(jié)構(gòu)；下滑臺(tái)

引言

下滑臺(tái)是160公里磁懸浮車走行機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵的部件，與空氣彈簧組合使用，承載車體的重量，同時(shí)作為空氣彈簧的附加氣室，降低了軌道與轉(zhuǎn)向架間的激擾對(duì)車體振動(dòng)的敏感度，提高了車輛的舒適性。

1 下滑臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

下滑臺(tái)與空氣彈簧組合是連接車體底架和懸浮架的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

下滑臺(tái)作用包括：①為導(dǎo)軌滑塊安裝座提供安裝接口，連接直線導(dǎo)軌，承受并傳遞來自車體的垂向載荷；②下表面與空氣彈簧相連，作為空氣彈簧的附加氣室，起到調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度的作用；③通過橫向拉桿和橫向拉桿座與懸浮架相連，限制空氣彈簧的橫向剛度，保證橫行穩(wěn)定；④當(dāng)車輛過曲線時(shí)，通過轉(zhuǎn)向推桿、T型臂傳遞車體和懸浮架間的力，使車輛順利通過曲線；⑤連接防過充鋼絲繩，防止因高度閥故障導(dǎo)致空氣彈簧過充，超出其正常工作范圍。

2 下滑臺(tái)方案對(duì)比

160公里磁懸浮試驗(yàn)車項(xiàng)目下滑臺(tái)方案1采用鋁板焊接而成，主要由氣室上蓋板、氣室、進(jìn)氣管、氣室下蓋板、筋板、空簧連接板組成，焊接質(zhì)量要求按照EN15085標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，此部件認(rèn)證等級(jí)為CL1級(jí)，焊縫質(zhì)量等級(jí)為CP C2級(jí)。焊縫主要采用了單面HY坡口焊縫和角焊縫，保證氣室具有良好的氣密性。材質(zhì)為EN AW6082-T6，材料母材屈服強(qiáng)度260MPa，焊縫區(qū)屈服強(qiáng)度為125MPa，根據(jù)安裝接口需要，共有四種結(jié)構(gòu)，僅充風(fēng)進(jìn)氣口和防過充鋼絲繩安裝孔方向有差異，整體重量為8kg。下文受力計(jì)算分析以第一種為例，下滑臺(tái)焊接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

方案2為鋁合金鑄件，材質(zhì)為EN AC42100-T6，材料屈服強(qiáng)度190MPa，為減少模具成本，預(yù)先設(shè)計(jì)出兩個(gè)方向的充風(fēng)進(jìn)氣口和防過充鋼絲繩安裝孔，整體重量為9.2kg。下滑臺(tái)鑄造結(jié)構(gòu)如圖2所示

3 計(jì)算分析

3.1有限元模型及邊界條件

下滑臺(tái)主要受如下四種力的作用：①受來自車體的垂向載荷Fz；②防過充鋼絲繩的拉力Fs；③轉(zhuǎn)向推桿的作用力F2；④橫向拉桿的作用力F1

采用有限元分析軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算仿真。下滑臺(tái)兩種方案模型結(jié)構(gòu)及其載荷施加情況如圖1、2所示。

計(jì)算采用實(shí)體單元進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，使用HyperMesh軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，使用剛性元單元模擬襯套連接關(guān)系。

根據(jù)載荷分布，按照超常載荷工況和運(yùn)營(yíng)工況分別對(duì)下滑臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，各種載荷作用下計(jì)算工況如表1所示

3.2 靜強(qiáng)度評(píng)估

通過仿真計(jì)算，對(duì)各工況進(jìn)行分析，下滑臺(tái)焊接結(jié)構(gòu)最惡劣工況計(jì)算結(jié)果如下：超常載荷工況下，下滑臺(tái)焊縫區(qū)最大應(yīng)力值為120.4MPa，材料許用應(yīng)力125MPa。滿足強(qiáng)度要求。

下滑臺(tái)鑄造最惡劣工況計(jì)算結(jié)果如下：超常載荷工況下，下滑臺(tái)最大應(yīng)力值為140.6MPa，材料屈服強(qiáng)度190MPa。滿足強(qiáng)度要求。兩種方案最大載荷工況應(yīng)力云圖如圖3、4所示。

3.3 疲勞強(qiáng)度評(píng)估

在運(yùn)營(yíng)載荷工況下，考慮下滑臺(tái)的疲勞強(qiáng)度性能。焊接結(jié)構(gòu)選取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵焊縫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算，焊接結(jié)構(gòu)疲勞因數(shù)最大值為0.274。由于鑄造結(jié)構(gòu)為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取結(jié)構(gòu)的二分之一外表面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算，疲勞因數(shù)最大值為0.174，小于1，具體計(jì)算結(jié)果云圖如圖5、6所示。

4 結(jié)論

通過有限元分析的方法分別對(duì)下滑臺(tái)焊接結(jié)構(gòu)和鑄造結(jié)構(gòu)兩種方案做出對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

（1）下滑臺(tái)采用焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)合理，重量輕，強(qiáng)度滿足要求，焊接工藝簡(jiǎn)單，制造成本低，生產(chǎn)周期短，適合小批量生產(chǎn)，缺點(diǎn)是焊縫易產(chǎn)生疲勞裂紋，方案一的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)均小于方二鑄造結(jié)構(gòu)。

（2）下滑臺(tái)鑄造結(jié)構(gòu)生產(chǎn)周期長(zhǎng)，批量生產(chǎn)制造成本低，使用壽命長(zhǎng)，

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