輕軌車輛鉸接裝置強(qiáng)度分析

劉 凱，朱 戡，劉 洋，沈旭奎，張小龍

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院，北京 100160）

1 輕軌車輛的鉸接裝置

1.1 車輛編組

輕軌車輛由兩節(jié)車體、三臺(tái)轉(zhuǎn)向架組成一個(gè)基本單元。鉸接裝置連接兩節(jié)車體和中間的轉(zhuǎn)向架，如圖1 所示。

車輛編組方式如下所示：

其中1 車和2 車為兩節(jié)車體；+為半自動(dòng)車鉤；—為鉸接裝置。

1.2 鉸接裝置作用

輕軌車輛的車體與轉(zhuǎn)向架的連接需要實(shí)現(xiàn)兩車體與同一個(gè)轉(zhuǎn)向架連接的功能，鉸接裝置屬于車體與轉(zhuǎn)向架連接的一部分，一方面要保證相鄰兩車體端部彼此相互連接，來傳遞車體間的縱向力、橫向力和垂向力，另一方面又要保證相鄰車體間能夠進(jìn)行相互水平轉(zhuǎn)動(dòng)、豎直轉(zhuǎn)動(dòng)和側(cè)向滾動(dòng)。

2 鉸接裝置的載荷分析

2.1 靜強(qiáng)度載荷分析

根據(jù)EN12663 和VDV152 標(biāo)準(zhǔn)中的要求，列舉在車輛運(yùn)行過程中所有可能出現(xiàn)的極限工況計(jì)算，挑選出了最惡劣的4 個(gè)垂向載荷工況，5 個(gè)橫向載荷工況，8 個(gè)縱向載荷工況，并組合出了27 個(gè)有可能出現(xiàn)極限復(fù)合載荷工況。根據(jù)列舉的不同工況下的應(yīng)力表，得到最大應(yīng)力的工況，分別如下面列舉4 種工況所示。

圖1 列車編組圖

（1）縱向載荷

根據(jù)車輛的總體技術(shù)條件，車體的縱向壓縮載荷為500kN，縱向拉伸載荷為400kN。

（2）垂向載荷

其中FZB為1 車作用在鉸接裝置上的垂向力，F(xiàn)ZA為2 車作用在鉸接裝置上的垂向力，F(xiàn)ZP為鉸接裝置下中心銷所承受的垂向力。mA-AW3為2 車在AW3 工況下的質(zhì)量，mB為1 車在AW0 工況下的質(zhì)量。

（3）橫向載荷

其中FYB為1 車作用在鉸接裝置上的橫向力，F(xiàn)YA為2 車作用在鉸接裝置上的橫向力，F(xiàn)YP為鉸接裝置下中心銷所承受的橫向力。mB-AW3為1 車在AW3 工況下的質(zhì)量，mA為2 車在AW0 工況下的質(zhì)量。ay為鉸接裝置處極限工況下的橫向加速度，p 為鉸接裝置處有效支撐車輛重量的比例，ω 為鉸接裝置中心處的旋轉(zhuǎn)加速度，Jz 為繞垂向軸的旋轉(zhuǎn)慣性，l 為鉸接裝置連接處到轉(zhuǎn)向架中心的距離。

（4）復(fù)合工況載荷

其中mt為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量，ax為該工況下的加速度。

2.2 疲勞載荷分析

根據(jù)EN12663 和VDV152 標(biāo)準(zhǔn)中的要求，列舉在車輛運(yùn)行過程中所有可能出現(xiàn)的疲勞工況計(jì)算，挑選出了最惡劣的8 個(gè)垂向載荷工況，2 個(gè)橫向載荷工況，2 個(gè)縱向載荷工況，并組合出了32 個(gè)有可能出現(xiàn)極限復(fù)合載荷工況。根據(jù)列舉的不同工況下的應(yīng)力表，得到最大應(yīng)力的工況，分別如下面列舉4 種工況所示。

（1）縱向載荷

其中F 為列車牽引力。

（2）垂向載荷

（3）橫向載荷

（4）復(fù)合工況載荷

2.3 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)EN12663-2000《鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定，對(duì)鉸接裝置材料的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度與鉸接裝置在不同工況下的設(shè)計(jì)應(yīng)力進(jìn)行比較，得到安全系數(shù)。

（1）靜強(qiáng)度

在靜載荷情況下，允許應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力的比值應(yīng)大于等于S1。

其中Rp0.2 為鉸接裝置所用材料的屈服極限，σ 為鉸接裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)力，S1為安全系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定S1=1.15。

（2）疲勞強(qiáng)度

根據(jù)材料的S-N 曲線，找到疲勞損傷次數(shù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，與設(shè)計(jì)應(yīng)力進(jìn)行比較。

3 鉸接裝置強(qiáng)度計(jì)算

3.1 載荷工況

鉸接裝置連接兩個(gè)車輛，由于在本次計(jì)算中將軸承座與車體相連的位置進(jìn)行了約束，因此對(duì)于軸承座將在軸承安裝位置進(jìn)行加載。支撐座受到的外部力為車體的力、磨耗板的支持力、中心銷的力和軸承力，同樣的本次計(jì)算中將支撐座與車體相連的位置進(jìn)行了約束，因此對(duì)于支撐座將在軸承安裝位置、磨耗板安裝位置和中心銷安裝位置進(jìn)行加載。

載荷工況與載荷大小如表1、表2 所示。

表1 靜強(qiáng)度載荷要求

表2 疲勞載荷要求

3.2 材料屬性

鉸接裝置中的軸承座和支撐座的材料為30CrNiMo8，其屈服極限Rp0.2=700MPa，疲勞強(qiáng)度σ=622MPa（循環(huán)次數(shù) N=1000000 次）。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

表3 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表4 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

根據(jù)輕軌車輛的技術(shù)條件和工況要求，受力分析后得到在不同工況下的受理?xiàng)l件，得到鉸接裝置各工況下的極限載荷和疲勞載荷。然后根據(jù)EN12663 規(guī)范校核了鉸接裝置的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。所使用的方法適應(yīng)于同類的輕軌車輛鉸接裝置的強(qiáng)度計(jì)算。

圖2 復(fù)合工況下的靜強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力云圖