輕軌列車轉(zhuǎn)向架裙板設(shè)計(jì)與分析

蘇 強(qiáng) 王志俊 王國(guó)靜 徐亞之

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,063035,唐山//第一作者,工程師)

隨著輕軌列車運(yùn)行速度的提高，阻力急劇增加，能耗隨之加大，對(duì)設(shè)備性能的要求越來越高，所以設(shè)備防護(hù)成為關(guān)鍵。輕軌車輛大部分關(guān)鍵設(shè)備吊裝在車下，特別是在轉(zhuǎn)向架區(qū)域，布置繁多的電纜電線及電氣設(shè)備。在列車運(yùn)行中,石頭、風(fēng)沙。其他雜物等會(huì)與車下設(shè)備發(fā)生打擊、碰撞，嚴(yán)重危及列車的運(yùn)行安全。經(jīng)研究調(diào)查表明，輕軌列車常由于運(yùn)行環(huán)境的影響，造成車下設(shè)備、電纜電線的損壞，損失嚴(yán)重。所以,有效保護(hù)車下設(shè)備成為輕軌列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

在車下安裝轉(zhuǎn)向架裙板不僅可有效保護(hù)車下設(shè)備,還可避免車下設(shè)備外露，起到美觀的作用。本文介紹轉(zhuǎn)向架裙板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外形尺寸、安裝方式,以及通過曲線的能力，并對(duì)裙板靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。經(jīng)論證,此轉(zhuǎn)向架裙板能有效防護(hù)轉(zhuǎn)向架車下設(shè)備,并實(shí)現(xiàn)美觀的效果。

1 轉(zhuǎn)向架裙板布置形式

所研究的輕軌列車由10節(jié)車廂組成(MD1+M2+M3+M4+M5+M6+M7+M8+M9+MD10)。每節(jié)車廂下部設(shè)置1個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，每相鄰的兩節(jié)車之間設(shè)置1個(gè)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，即列車總共設(shè)置10個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和5個(gè)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。在每個(gè)轉(zhuǎn)向架兩側(cè)布置轉(zhuǎn)向架裙板。圖1為MD1車和M2車之間的裙板布置局部示意圖。

圖1 輕軌列車裙板布置局部放大示意圖

轉(zhuǎn)向架裙板材料采用模具成型的復(fù)合材料——玻璃鋼，其表面為玻璃纖維短切氈。玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂的手工層以壓塑料法制成，并用模具完成夾層結(jié)構(gòu)。裙板為玻璃鋼外表皮+結(jié)構(gòu)泡沫的三明治結(jié)構(gòu)，設(shè)置必要的金屬或玻璃鋼封邊。玻璃鋼表皮、結(jié)構(gòu)泡沫及封邊之間應(yīng)采用可靠、環(huán)保的方式進(jìn)行連接，在連接位置不會(huì)出現(xiàn)開裂、分層等失效情況。玻璃鋼裙板上安裝有裙板支架。裙板支架為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，鋼板型號(hào)為X5CrNi18-10。玻璃鋼裙板通過不銹鋼裙板支架與列車轉(zhuǎn)向架連接。

2 轉(zhuǎn)向架裙板外形尺寸確定

2.1 轉(zhuǎn)向架裙板與車下固定裙板的間隙

當(dāng)輕軌列車在30 m最小半徑曲線上運(yùn)行時(shí)，通過研究分析，轉(zhuǎn)向架裙板能轉(zhuǎn)過的最大角度為8°，同時(shí)車體裙板隨之也轉(zhuǎn)過8°，此時(shí)轉(zhuǎn)向架裙板與車體裙板的間隙應(yīng)滿足轉(zhuǎn)向架裙板轉(zhuǎn)動(dòng)擺角，且不與其發(fā)生干涉。通過模擬，二者位置關(guān)系如圖2所示。

a) 側(cè)面圖

b) 平面圖

c) Ⅰ細(xì)部放大圖d) Ⅱ細(xì)部放大圖

圖2 列車通過最小曲線時(shí)的轉(zhuǎn)向架裙板與車下固定裙板

由圖2可見，轉(zhuǎn)向架裙板與車下固定裙板的間隙為122 mm，列車能夠通過的最小曲線半徑為30 m，且留有26 mm空間余量。

2.2 轉(zhuǎn)向架裙板與車體底架邊梁的垂向間隙

在輕軌列車運(yùn)行中，轉(zhuǎn)向架與車體底架通過空氣彈簧充氣將車體支撐在固定高度?？諝鈴椈沙錃馇昂?車體底架邊梁的高度差為25 mm。轉(zhuǎn)向架裙板與轉(zhuǎn)向架上的連接座相連。擬安裝后，轉(zhuǎn)向架裙板上面距離底架邊梁下面距離為76 mm，留有51 mm的余量，既能滿足空氣彈簧在排氣后車體下降，避免與轉(zhuǎn)向架裙板發(fā)生碰撞，也能夠?yàn)椴僮魅藛T使用檢修工具進(jìn)行轉(zhuǎn)向架檢修提供操作空間。轉(zhuǎn)向架裙板與車體底架邊梁的間隙如圖3所示。

3 轉(zhuǎn)向架裙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向架裙板安裝在轉(zhuǎn)向架處，由一體式玻璃鋼裙板和裙板支架組成(見圖4)。玻璃鋼裙板組成外輪廓為平面，與車體側(cè)墻外輪廓保持一致。玻璃鋼裙板厚度為20 mm，長(zhǎng)度為3 020 mm，高度為300 mm。玻璃鋼裙板組件由玻璃鋼裙板單件、裙板鎖構(gòu)成，玻璃鋼裙板上預(yù)留有高度閥和受流器的安裝空間，以避免安裝時(shí)發(fā)生干涉。凹坑處裙板厚度為5 mm。

單位:mm

圖3 轉(zhuǎn)向架裙板與車體底架邊梁的垂向間隙示意圖

圖4 轉(zhuǎn)向架裙板結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)轉(zhuǎn)向架上裙板連接座的空間排布，裙板支架分布在裙板的不同位置，都通過螺栓固定在轉(zhuǎn)向架的裙板連接座上。兩裙板支架由不銹鋼板組焊而成。由于鋼板較薄，最薄為4 mm，容易出現(xiàn)焊接變形。為滿足裙板的安裝強(qiáng)度，在裙板支架處增加了補(bǔ)強(qiáng)板(見圖5)。

圖5 轉(zhuǎn)向架裙板支架

因?yàn)檗D(zhuǎn)向架裙板上的4個(gè)裙板支架在不同位置排布，再加上裙板連接座焊接誤差及轉(zhuǎn)向架安裝誤差的累積，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架裙板在安裝過程中存在高度較難調(diào)節(jié)的問題。經(jīng)分析，解決方案為:①在裙板支架上安裝插接式調(diào)整墊片(見圖6);②裙板支架上的裙板夾緊母采用特殊方形鎖母(活動(dòng)空間大，可調(diào)節(jié)量較大)。

圖6 裙板與轉(zhuǎn)向架連接方式

4 轉(zhuǎn)向架裙板靜強(qiáng)度計(jì)算

裙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后，為保證裙板強(qiáng)度的可靠性，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 13749中的要求，對(duì)裙板模型進(jìn)行靜強(qiáng)度分析計(jì)算。裙板部件在3個(gè)方向承受沖擊加速度,相應(yīng)計(jì)算分為8種工況(見表1)。

表1 轉(zhuǎn)向架裙板靜強(qiáng)度工況組合

4.1 玻璃鋼裙板強(qiáng)度分析

采用ANSYS軟件對(duì)裙板部件進(jìn)行分析計(jì)算。有限元模型如圖7所示。通過計(jì)算,得出8種工況下玻璃鋼裙板的最大應(yīng)力值，如表2所示。

圖7 轉(zhuǎn)向架裙板有限元模型

表2中數(shù)據(jù)顯示，工況7下,裙板X方向的應(yīng)力值SX最大，為6.45 MPa;工況3下,Y方向的裙板應(yīng)力值SY最大，為1.42 MPa;工況4下,XY方向的應(yīng)力值SXY最大，為2.04 MPa。裙板在X、Y及XY方向的裙板應(yīng)力值均小于裙板材料強(qiáng)度值，說明裙板的設(shè)計(jì)滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)對(duì)比，得出工況3、工況4及工況7的裙板應(yīng)力值較大，其應(yīng)力云圖如圖8～10所示。

4.2 裙板支架的強(qiáng)度分析

裙板支架為鋼板組合焊件。在各工況下裙板支架的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示,工況4下的應(yīng)力云圖如圖11所示。由表3可知，裙板支架最大計(jì)算應(yīng)力值為工況4，強(qiáng)度值為53.52 MPa，小于裙板支架的屈服極限應(yīng)力值205 MPa。支架滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表2 玻璃鋼裙板強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖8 工況3的Y方向應(yīng)力云圖

圖9 工況4的XY方向應(yīng)力云圖

圖10 工況7的X方向應(yīng)力云圖

圖11 工況4下的支架應(yīng)力云圖

表3 玻璃鋼裙板支架各工況下的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

5 玻璃鋼裙板及支架疲勞強(qiáng)度計(jì)算

5.1 玻璃鋼裙板疲勞強(qiáng)度計(jì)算

裙板由玻璃鋼材料制成，不能直接使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裙板進(jìn)行疲勞評(píng)估，需通過疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)玻璃鋼基材進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)，從而得到玻璃鋼基材的S(應(yīng)力)-N(疲勞壽命)曲線(見圖12)。

圖12 裙板玻璃鋼基材S-N曲線圖

由圖12可得,玻璃鋼裙板的疲勞曲線方程：

ΔSm×N=C

其中,m=4.629 6,C=1.402 9×1014。

因此,可求出累計(jì)損傷比D與疲勞壽命N的關(guān)系為：

其中,ni=107。

裙板的疲勞計(jì)算工況共有3個(gè)，如表4所示。疲勞試驗(yàn)截荷均以重力加速度g的形式施加。

表4 裙板疲勞計(jì)算工況

計(jì)算可得3種工況下裙板的邊緣及裙板鎖孔附近的疲勞強(qiáng)度，根據(jù)疲勞曲線方程求出各點(diǎn)的疲勞壽命，再結(jié)合各工況下的最大應(yīng)力,即可求出疲勞壽命(如表5所示),且累積損傷均為0。表5中A1、B1、C1分別表示裙板上不同處的螺栓孔。

表5 裙板評(píng)估點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度

由表5可知，工況3下，玻璃鋼裙板邊緣以及螺栓孔附近的應(yīng)力值較大，疲勞壽命值較小。A1、B1、C1點(diǎn)的應(yīng)力云圖如圖13～15所示。

圖13 裙板A點(diǎn)處應(yīng)力云圖

通過上述計(jì)算結(jié)果分析，在3種疲勞工況作用下,實(shí)際應(yīng)力范圍小于許用應(yīng)力范圍的裙板評(píng)估點(diǎn)累積損傷不大于1，因此滿足疲勞強(qiáng)度要求。

5.2 裙板支架疲勞強(qiáng)度計(jì)算

基于BS 7608—1993標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)裙板支架(鋼材)進(jìn)行疲勞評(píng)估。鋼材部件母材和焊接接頭,實(shí)際應(yīng)力范圍小于許用應(yīng)力范圍的評(píng)估點(diǎn)累積損傷不得大于1。

圖14 裙板B點(diǎn)處應(yīng)力云圖

圖15 裙板C點(diǎn)處應(yīng)力云圖

通過計(jì)算可知，3種工況下裙板支架評(píng)估點(diǎn)(A2、B2、C2)的疲勞強(qiáng)度結(jié)果如表6所示,且累計(jì)損傷均為0。

表6 裙板支架評(píng)估點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度

從表6中數(shù)據(jù)可知，在工況2中,裙板支架的應(yīng)力值較大，其A2、B2、C2點(diǎn)的應(yīng)力云圖如圖16～18所示。

通過分析上述計(jì)算結(jié)果可知，在疲勞工況作用下，實(shí)際應(yīng)力范圍小于許用應(yīng)力范圍的裙板支架評(píng)估點(diǎn)累積損傷不大于1，滿足疲勞強(qiáng)度要求。

6 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)向架裙板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安裝方式簡(jiǎn)單，便于操作，能滿足轉(zhuǎn)向架通過曲線能力需求；最終通過對(duì)玻璃鋼裙板、支架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核證實(shí)，此轉(zhuǎn)向架裙板能滿足設(shè)計(jì)要求，能有效防護(hù)轉(zhuǎn)向架車下設(shè)備，并起到美觀的效果。

圖16 裙板支架A點(diǎn)疲勞強(qiáng)度

圖18 裙板支架C點(diǎn)疲勞強(qiáng)度