導(dǎo)軌激擾下自動(dòng)旅客運(yùn)輸系統(tǒng)車(chē)輛車(chē)橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

步 濤

(中車(chē)浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖//工程師)

自動(dòng)旅客運(yùn)輸(APM)系統(tǒng)車(chē)輛的車(chē)橋,在結(jié)構(gòu)上與卡車(chē)、轎車(chē)和公交車(chē)類(lèi)似，肩負(fù)著動(dòng)力傳輸、承受車(chē)體質(zhì)量、保持車(chē)輛穩(wěn)定性的重任。車(chē)轎與車(chē)體懸掛連接，在兩端安裝車(chē)輪的橋式結(jié)構(gòu)部件。與普通車(chē)橋不同的是，APM車(chē)輛車(chē)橋的導(dǎo)向框和V臂結(jié)構(gòu)會(huì)綜合影響其受力方式，改變車(chē)橋的受力方向[1-7]。因此，APM車(chē)輛的車(chē)橋必須有足夠的強(qiáng)度、剛度及疲勞壽命。車(chē)橋主要的失效形式有橋殼的集中開(kāi)裂、齒輪失效、螺栓緊固件的失效等。在軌道交通發(fā)展的早期，車(chē)輛工程師主要采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)車(chē)輛的最大應(yīng)力進(jìn)行估算；21世紀(jì)初，我國(guó)開(kāi)始重視車(chē)橋的設(shè)計(jì)工作，通過(guò)運(yùn)用靜強(qiáng)度分析，逐漸總結(jié)出3種典型工況，并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)QCT 533—1999《汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》以及QCT 534—1999《汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》；國(guó)內(nèi)外不少研究者對(duì)車(chē)橋也進(jìn)行過(guò)有限元分析，但大多僅對(duì)橋殼進(jìn)行分析，沒(méi)有分析其他的重要部件，且僅考慮其最大的受力工況，其他綜合工況也沒(méi)有得到系統(tǒng)的分析[8-10]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文建立了導(dǎo)軌激擾下APM車(chē)輛車(chē)橋的受力模型，并提供一種更全面的有限元分析方法，不僅對(duì)車(chē)橋進(jìn)行分析，并且對(duì)車(chē)橋接口的其他重要部件也進(jìn)行分析，可為其他類(lèi)型車(chē)橋的設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。

1 APM車(chē)輛車(chē)橋結(jié)構(gòu)分析

車(chē)橋是車(chē)輛底盤(pán)行駛系統(tǒng)的重要部分，車(chē)橋通過(guò)懸架和車(chē)架相連，傳遞車(chē)架與車(chē)輪間各方向的作用力和力矩。軌道交通車(chē)輛的車(chē)橋由主減速器、差速器、半軸、橋殼(主要承載件)、制動(dòng)等組成,如圖1所示。車(chē)轎的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 軌道交通APM車(chē)輛車(chē)橋結(jié)構(gòu)圖

參數(shù)數(shù)值額定軸荷/kg15 000制動(dòng)類(lèi)型鼓式制動(dòng)軸距對(duì)軸距/mm7 580懸掛類(lèi)型空簧動(dòng)力純電動(dòng)材料鋼結(jié)構(gòu)輪距/mm2 020輪轂直徑/mm571.5輪轂寬度/mm355.6輪胎斷面寬度/mm445扁平率/%65輪胎內(nèi)徑/mm571.5

主減速器起著減速增扭和改變傳動(dòng)方向的作用；橋殼是安裝主減速器、差速器、半軸、輪轂的基礎(chǔ)件，起著主要的承載作用，承受車(chē)輛的重量，承受驅(qū)動(dòng)輪傳來(lái)的各種作用力和力矩，并通過(guò)懸架將力和力矩傳給車(chē)架?？偟膩?lái)說(shuō)，車(chē)橋有以下功能：①把發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力傳輸?shù)杰?chē)輪上;②在動(dòng)力傳遞到車(chē)輪前將傳動(dòng)系的速度降下來(lái);③允許兩輪以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng);④承載車(chē)輛的重量、支撐起車(chē)體[11]。

車(chē)橋與車(chē)體通過(guò)懸架連接在一起，車(chē)體及其負(fù)載也經(jīng)懸掛將力傳遞到車(chē)橋。如圖2所示，APM車(chē)輛在導(dǎo)軌的作用下改變行駛方向，導(dǎo)軌的導(dǎo)向力帶動(dòng)導(dǎo)向框的環(huán)軸承，環(huán)軸承拉動(dòng)橫向拉桿帶動(dòng)車(chē)橋轉(zhuǎn)向，車(chē)橋通過(guò)V臂桿帶動(dòng)APM車(chē)體完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。由此可以看出，車(chē)橋是車(chē)輛主要的傳動(dòng)件和承載件。

圖2 APM車(chē)輛車(chē)轎接口示意圖

2 APM車(chē)輛車(chē)橋模型的建立

對(duì)APM車(chē)輛車(chē)橋建立導(dǎo)軌激擾下的受力模型，如圖3所示。

由圖3可以看出，導(dǎo)軌改變了車(chē)橋的受力位置。普通車(chē)橋以垂向力作為其主要的受力類(lèi)型，而APM車(chē)輛采用導(dǎo)軌導(dǎo)向，車(chē)橋受力方向復(fù)雜，除垂向外，縱向和水平方向上也有力的作用。所以，在APM車(chē)輛車(chē)橋的有限元分析模型中設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中，要全面考慮這些力的作用。

圖3 導(dǎo)軌激擾下APM車(chē)輛車(chē)橋的受力模型

如圖3所示，圖3 a)和圖3 b)為車(chē)輛與車(chē)橋的接口受力圖，包括導(dǎo)軌激擾和側(cè)風(fēng)力等的綜合受力分析；圖3 c)和圖3 d)為車(chē)橋受力分析圖。其中:F支為地面對(duì)車(chē)橋的支撐力;FV臂為V臂桿作用在車(chē)橋的力;F控制臂為控制臂作用在車(chē)橋的力;F防傾為防傾桿受力;F側(cè)為考慮側(cè)風(fēng)情況的作用力;F軌為軌道對(duì)車(chē)橋整體系統(tǒng)的作用力;M扭為車(chē)橋在路不平時(shí)受到的扭轉(zhuǎn)力；FG為重力；F橫拉為橫拉桿作用在車(chē)轎上的力。當(dāng)車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，兩側(cè)的懸掛一個(gè)被壓縮，另一個(gè)被拉伸，與壓縮端相連的穩(wěn)定桿末端向上移動(dòng)，與拉伸端相連的穩(wěn)定桿末端向下移動(dòng)，這樣就形成了F防傾。在各個(gè)力的綜合作用下，車(chē)橋的受力情況復(fù)雜，應(yīng)力分布復(fù)雜。因此，對(duì)車(chē)橋作綜合工況下的有限元分析就格外重要。

通過(guò)對(duì)APM車(chē)輛的橋殼進(jìn)行有限元分析，可以找出其薄弱部位，分析載荷水平，確定車(chē)橋能承受的極限載荷。在有限元分析中,從彈性材料上對(duì)車(chē)橋的彈性變形、塑性變形、極限變形進(jìn)行分析,并考慮車(chē)橋的應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度和剛度。將車(chē)橋假定成一個(gè)彈性體，并作以下假設(shè):車(chē)橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)是連續(xù)且均質(zhì)的，車(chē)橋內(nèi)部物質(zhì)是各向同性的。應(yīng)用catia軟件建立APM車(chē)輛車(chē)橋的幾何三維模型，將模型導(dǎo)入到ansys軟件中，對(duì)導(dǎo)向輪、V臂進(jìn)行簡(jiǎn)化劃分網(wǎng)格，采用近似關(guān)節(jié)單元代替球型關(guān)節(jié)，其余的連接部件也做了相關(guān)的關(guān)聯(lián)，并保證模型的形狀、約束、載荷與實(shí)際情況一致。

把車(chē)橋離散成有限個(gè)單元，采用4節(jié)點(diǎn)4邊形單元?jiǎng)澐謫卧W(wǎng)格，在受力集中處劃分的網(wǎng)格可進(jìn)一步細(xì)分。如圖4所示，整個(gè)APM車(chē)轎共劃分為1.258×106個(gè)元素和1.121×106個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)導(dǎo)向框和V臂座單獨(dú)劃分網(wǎng)格，獨(dú)立設(shè)置約束，以便更準(zhǔn)確地分析導(dǎo)向框和V臂處的應(yīng)力分布情況。

圖4 APM車(chē)輛車(chē)橋網(wǎng)格劃分截圖

根據(jù)ASCE 21-13—2013《自動(dòng)旅客運(yùn)輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》的要求施加負(fù)載。車(chē)輛的行駛條件是千變?nèi)f化的，因此，要精確地計(jì)算車(chē)輛行駛時(shí)作用于橋殼各處應(yīng)力的大小很困難。通常情況下在設(shè)計(jì)橋殼時(shí)多采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即將橋殼看成簡(jiǎn)支梁，并校核某特定斷面的最大應(yīng)力值。該標(biāo)準(zhǔn)也僅規(guī)定了車(chē)橋承受滿載時(shí)車(chē)轎的受力：每車(chē)輪距最大變形不超過(guò)1.5 mm；承受2.5倍滿載軸荷時(shí)，橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。但是，車(chē)橋不僅受到滿載軸荷，還會(huì)存在其他綜合工況。本文分別在垂向、縱向和水平3個(gè)方向施加不同的力，對(duì)所產(chǎn)生的12種綜合工況組合進(jìn)行有限元仿真分析，如表2所示。

表2 APM車(chē)輛車(chē)橋模型綜合工況

APM車(chē)輛車(chē)橋常用材料的彈性模量和泊松比如表3所示。

表3 APM車(chē)輛車(chē)橋模型的材料屬性

3 APM車(chē)輛車(chē)橋有限元分析

APM車(chē)輛車(chē)轎的有限元應(yīng)力分析中，應(yīng)力分布情況和理論分析一致。圖5為對(duì)APM車(chē)輛車(chē)橋建立了12種綜合工況的有限元應(yīng)力分布模型，這12種工況幾乎可以涵蓋APM車(chē)輛在日常工作中的所有情況。由圖5可以看出，每種工況的應(yīng)力集中點(diǎn)不同。這12種工況的應(yīng)力值都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。在工況6情況下，應(yīng)力值最大，為20.7 N/mm2，其應(yīng)力分布在導(dǎo)向輪螺套處。

4 APM車(chē)輛車(chē)橋試驗(yàn)驗(yàn)證分析

本文還對(duì)車(chē)橋的關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元分析。圖6為對(duì)導(dǎo)輪螺套極限載荷有限元應(yīng)力分布所做的模擬分析，圖7為對(duì)環(huán)軸承極限載荷有限元應(yīng)力分布所做的模擬分析。由圖6和圖7可知，螺套最大應(yīng)力分布在螺套頭部，環(huán)軸承的主要應(yīng)力集中在螺栓孔處，應(yīng)力分布與理論分析一致。

本文最后還對(duì)車(chē)橋做了臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明：車(chē)橋受力規(guī)定車(chē)橋承受滿載時(shí)，每車(chē)輪距最大變形不超過(guò)1.5 mm；承受2.5倍滿載軸荷時(shí)，橋殼未出現(xiàn)斷裂和塑性變形；車(chē)橋在垂直方向的最大載荷取滿載軸荷的2.5倍，最小載荷取0，在施加脈動(dòng)載荷、疲勞次數(shù)80萬(wàn)次后，車(chē)橋未出現(xiàn)疲勞破壞。

圖7 環(huán)軸承極限載荷有限元應(yīng)力分布截圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析APM車(chē)輛的車(chē)橋結(jié)構(gòu)，建立了導(dǎo)軌激擾下導(dǎo)向框和V臂綜合作用的受力模型。通過(guò)建立驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元模型，綜合分析各種工況的有限元數(shù)值模擬，得到各種工況下的應(yīng)力分布情況。模擬仿真結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)橋殼滿足強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)要求。

1) 通常車(chē)橋有限元分析僅考慮最大沖擊載荷工況、最大緊急制動(dòng)工況和側(cè)滑工況。本文對(duì)車(chē)橋在導(dǎo)軌激擾下的12種綜合受力工況進(jìn)行分析，充分考慮了各種工況下的應(yīng)力分布和疲勞情況，并得到了詳細(xì)的應(yīng)力與變形的分布情況，從而判定出應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力變化趨勢(shì)。

2) 本文在受力及網(wǎng)格劃分時(shí)，充分考慮到導(dǎo)向框和V臂對(duì)車(chē)橋的受力影響，兼顧了所有可能的應(yīng)力集中點(diǎn)，保證數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)真實(shí)性。

3) 本文有限元分析的12種工況基本涵蓋車(chē)輛運(yùn)行中所有的路況，是一種可借鑒的系統(tǒng)分析流程。