一種勵(lì)板輕軌車輛用彈住車輪的設(shè)計(jì)研究與仿真分析

周勤 劉暉霞 李鴻浩

摘要：本文介紹了一種低地板輕軌車輛用彈性車輪的研究與仿真分析，通過(guò)ANSYS軟件，采用有限元分析方法對(duì)該彈性車輪進(jìn)行了強(qiáng)度仿真分析計(jì)算，主要對(duì)輪箍、輪心、壓環(huán)的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。

關(guān)鍵詞：彈性車輪;設(shè)計(jì);仿真分析;強(qiáng)度;計(jì)算

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0139-02

低地板輕軌車輛的地板面高度通常為350mm （高地板為900?1000mm），需要降低地板高度來(lái)適應(yīng)低地板的要求。降低地板高度的障礙不是車輪而是車軸，因此低地板車輛不能用常規(guī)車軸及輪對(duì)，必須把車軸做成下凹的U形，以降低中間通道的地板高度，在U形車軸兩端的短軸上裝獨(dú)立回轉(zhuǎn)的車輪組成輪對(duì)，運(yùn)行時(shí)車軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，兩車輪可以以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)稱為獨(dú)立車輪。在低地板輕軌車輛中獨(dú)立車輪一般采用彈性車輪，彈性車輪是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，直接影響車輛的使用，必須保證彈性車輪在運(yùn)行過(guò)程中安全、可靠，因此需對(duì)彈性車輪進(jìn)行仿真分析、強(qiáng)度計(jì)算校核。

1 彈性車輪的結(jié)構(gòu)

彈性車輪的彈性元件多為橡膠件，按橡膠承載方式的不同可分為壓縮型、剪切型和壓剪復(fù)合型三種類型，在該低地板輕軌車輛中，彈性車輪采用壓剪復(fù)合式結(jié)構(gòu)。

彈性車輪主要由輪箍、輪心、壓環(huán)、接地連接線等組成，該低地板車輛用動(dòng)車及拖車彈性車輪結(jié)構(gòu)如下圖1所示。彈性車輪利用橡膠來(lái)吸收高頻振動(dòng)、緩和沖擊，降低噪聲并改善輪軌的摩擦。通過(guò)在輪箍、輪心間嵌入橡膠，能有效的減少輪對(duì)的簧下質(zhì)量，降低輪軌間的垂向沖擊加速度;通過(guò)橡膠的彈性變形，使車輛通過(guò)曲線和道岔時(shí)輪緣和鋼軌的摩擦力大大降低，改善輪緣的磨耗。

1.1 輪箍

在車輛運(yùn)行中，與軌道直接接觸的是彈性車輪輪箍，參考國(guó)內(nèi)外彈性車輪的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，考慮輪軌硬度匹配，即軌輪硬度比值為0.96?1.06和0.99?1.10等綜合因素，輪箍材料選擇UIC810-1V中的B6T，其機(jī)械性能參數(shù)見表1。

1.2 輪心

整體輾鋼車輪中比較常用的材料是EN 13262中的ER8、ER9等，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定ER9材質(zhì)的車輪，輻板上的屈服強(qiáng)度應(yīng)至少比輪輞的屈服強(qiáng)度少130MPa。彈性車輪的輪箍相當(dāng)于整體輪的輪輞，輪心相當(dāng)于整體輪的輻板和輪轂，前面所選材料B6T的機(jī)械性能等同于ER9，因此，根據(jù)輻板屈服強(qiáng)度應(yīng)至少比輪輞少130MPa這一原則，在該項(xiàng)目中輪芯材質(zhì)可選用GB-T699中的C45+QT，其機(jī)械性能參數(shù)見表2。

1.3 壓環(huán)

壓環(huán)可選擇機(jī)械性能略高于輪芯的材質(zhì)。在該項(xiàng)目中，壓環(huán)的材質(zhì)選用EN 10083-3中的25CrMo4+QT，其機(jī)械性能參數(shù)見表3。

2 彈性車輪的強(qiáng)度仿真分析

2.1 彈性車輪有限元模型

彈性車輪的有限元模型如圖2所示，輪箍、輪心、橡膠件及壓環(huán)均采用四面體網(wǎng)格單元。由于無(wú)橡膠件的具體參數(shù)，因此實(shí)際計(jì)算時(shí)根據(jù)車輪進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)得到的剛度按線性材料剛度進(jìn)行近似處理。

2.2 彈性車輪計(jì)算工況

本次計(jì)算主要依據(jù)UIC510-5《整體車輪的技術(shù)檢驗(yàn)》和EN13979中的載荷分配方法進(jìn)行計(jì)算，分為在平直軌道上行駛、在曲線軌道上行駛和通過(guò)道岔三種工況進(jìn)行計(jì)算。各工況下載荷作用如圖3所示。

其中：Q：車輪每一車輪作用在鋼軌上的質(zhì)量載荷（KN）;Fz：垂向作用力（kN）;Fy：每個(gè)車輪的橫向作用力（kN）;

工況1：（在平直道上行駛）L₁=57mm，F(xiàn)_z1=1.25Q。

工況2：（在曲線上行駛）L₂=25mm，F(xiàn)_z2=1.25， F_y2=0.7Q。

工況3：（通過(guò)道岔） L₃=92mm，F(xiàn)_Z3=1.25Q，F(xiàn)_y3=0.42Q。

2.3 彈性車輪強(qiáng)度評(píng)估

2.3.1 車輪靜強(qiáng)度評(píng)定

參照標(biāo)準(zhǔn)“UIC510-5”，車輪靜強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：車輪上各點(diǎn)應(yīng)力不超過(guò)材料的彈性極限。輪箍材料暫定為B6T，其彈性極限為580Mpa ;輪心材料選用C45+QT，其彈性極限為415Mpa （GB/699）;壓環(huán)材料選用25OMo4+QT，其彈性極限為 450Mpa。

2.3.2 疲勞強(qiáng)度評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)prEN13979-1規(guī)定了應(yīng)力的確定方法，該方法認(rèn)為車輪在運(yùn)行中，各點(diǎn)為非對(duì)稱循環(huán)，其破壞型式由最大主應(yīng)力方向的應(yīng)力造成。由此，通過(guò)模型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布信息，確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同載荷工況作用下的最大主應(yīng)力和和最小主應(yīng)力值。按下式計(jì)算平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和極限應(yīng)力。計(jì)算出的極限應(yīng)力Act范圍應(yīng)當(dāng)?shù)陀谠试S應(yīng)力。

平均應(yīng)力：

;應(yīng)力幅值：

;極限應(yīng)力：

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 車輪靜強(qiáng)度

3.1.1 拖車彈性車輪靜強(qiáng)度

直線、曲線和道岔三種工況下拖車輪心的von_Mises應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為187MPa、236MPa、200MPa;拖車壓環(huán)的von_Mises應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為270MPa、268MPa、281MPa;拖車輪箍的von_Mises應(yīng)力云圖（除載荷加載區(qū)域外，三種工況下的von_Mises應(yīng)力均未超過(guò)材料的許用應(yīng)力415MPa）。

由計(jì)算可知，在直線、曲線和道岔三種工況下拖車彈性車輪各部件的最大von_Mises應(yīng)力均未超過(guò)材料的許用應(yīng)力，因此，拖車車輪各部件靜強(qiáng)度均滿足要求。

3.1.2 動(dòng)車彈性車輪靜強(qiáng)度

直線、曲線和道岔三種工況下動(dòng)車輪心的von_Mises應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為185MPa、230MPa、242MPa;動(dòng)車壓環(huán)的von_Mises應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為264MPa、265MPa、262MPa ;動(dòng)車輪箍的von_Mises應(yīng)力云圖。

由計(jì)算可知，在三種工況下動(dòng)車彈性車輪各部件的最大von_Mises應(yīng)力均未超過(guò)材料的許用應(yīng)力。因此，動(dòng)車車輪各部件靜強(qiáng)度均滿足要求。

3.2 車輪疲勞強(qiáng)度

由于輪箍厚度在運(yùn)行過(guò)程中始終在變化且一般對(duì)于車輪疲勞強(qiáng)度的校核一般不包含輪轂部分。因此對(duì)彈性車輪部件的疲勞強(qiáng)度的核算只包含壓環(huán)和輪心。

將拖車和動(dòng)車車輪輪心、壓環(huán)上各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力繪入Goodman疲勞曲線內(nèi)如圖4所示，拖車和動(dòng)車車輪輪心、壓環(huán)上各節(jié)點(diǎn)均落在Goodman疲勞曲線內(nèi)，因此可知，拖車和動(dòng)車車輪輪心、壓環(huán)滿足疲勞強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)UIC510-5《整體車輪的技術(shù)檢驗(yàn)》和EN13979中的載荷分配方法確定了彈性車輪輪轂、輪心及壓環(huán)的直線、曲線和道岔三種計(jì)算工況，通過(guò)ANSYS仿真分析，對(duì)動(dòng)車及拖車彈性車輪輪轂、輪心及壓環(huán)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，滿足低地板輕軌車輛運(yùn)用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]史和平，郭立君，城市軌道車輛彈性車輪研究[J].城市公共交通，2000 （3）：25-27.

[2]鄭劍云，壓剪復(fù)合型橡膠彈性車輪有限元分析[J].機(jī)車車輛工藝，2007 （5）：1-4.

[3]池茂儒，張洪，黃其禎，虞大聯(lián).新型獨(dú)立車輪低地板轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)性能研究.城市軌道車輛，2005 （3）：1-4.

[4]鮑維干.獨(dú)立車輪在低地板輕軌車輛上的應(yīng)用.內(nèi)燃機(jī)車，2001（1）：12-17.