跨座式單軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝雙 陳明勇

摘要：跨座式單軌車(chē)輛的關(guān)鍵部件之一就是轉(zhuǎn)向架，車(chē)輛行駛運(yùn)行的安全性直接與轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)性能有密切的聯(lián)系。本文主要在Hyper Works/Optistruct平臺(tái)基礎(chǔ)上，聯(lián)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對(duì)跨座式單軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，結(jié)果顯示跨座式單軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架可以在滿足車(chē)輛運(yùn)行性能的基礎(chǔ)上，適當(dāng)將原有構(gòu)架用材減少，可以有效保證結(jié)構(gòu)剛度。希望通過(guò)本文的分析和總結(jié)可以為今后的跨座式單軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)起一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：跨座式單軌車(chē)輛;轉(zhuǎn)向架;構(gòu)建結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、前言

跨座式單軌交通作為交通方式的一種，與其他交通方式相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。比如跨座單軌交通可靠性較強(qiáng)、技術(shù)較先進(jìn)、建設(shè)周期剪短、造價(jià)較低等。以上優(yōu)點(diǎn)促使跨座式單軌交通在今后有廣闊的發(fā)展前景[1]。車(chē)輛技術(shù)直接關(guān)系城市軌道交通的發(fā)展，而作為車(chē)輛重要組成部分的轉(zhuǎn)向架，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性起到至關(guān)重要的作用[2]。車(chē)輛轉(zhuǎn)向架是各個(gè)零部件安裝的基礎(chǔ)，主要承受來(lái)車(chē)體的縱向力、橫向力以及垂向力。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)性能直接影響車(chē)輛運(yùn)行安全性、乘坐舒適性以及走行平穩(wěn)性[3]。單根軌道支持并穩(wěn)定和導(dǎo)向作用是跨座式單軌的主要特征，車(chē)輪材料采用橡膠輪胎，適用于跨騎在軌道梁上運(yùn)行形式，此種交通運(yùn)行模式已經(jīng)在重慶廣泛使用，適應(yīng)性及爬坡性強(qiáng)、噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小是跨座式單軌的特點(diǎn)。該交通運(yùn)行模式在地形地貌較為復(fù)雜的地區(qū)具有很高的實(shí)用性。高架橋橋墩寬度為2 m，所占據(jù)的地面寬度較小，使得該高架軌道交通與其他軌道制式橋墩占地寬度明顯減少，可將高架橋墩修建于城市道路兩旁綠化帶或者道路中央處，具有占地遮擋小、選線靈活、對(duì)周?chē)蓴_小等諸多優(yōu)勢(shì)。

以下是本文在Hyper Works/Optistruct平臺(tái)基礎(chǔ)上，聯(lián)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對(duì)跨坐式單軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化的分析。

二、優(yōu)化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)分析

（一）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容較多，比如形狀的進(jìn)一步優(yōu)化，尺寸的進(jìn)一步優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化等[4]。在形狀和尺寸優(yōu)化技術(shù)較為熟練的領(lǐng)域?yàn)樯a(chǎn)制造行業(yè)。不斷優(yōu)化并完善是現(xiàn)階段我國(guó)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)最顯著的發(fā)展特點(diǎn)。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)初期非常適用，該技術(shù)可以進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系改變。由此可見(jiàn)拓?fù)浼夹g(shù)在今后是該領(lǐng)域工作人員關(guān)注的重點(diǎn)[5]。

（二）拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)概念分析

所謂拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)就是提前標(biāo)定好設(shè)計(jì)區(qū)域和相關(guān)材料特性，借助結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，得到結(jié)構(gòu)布局相應(yīng)的形式和構(gòu)件尺寸，需要注意的問(wèn)題是所得到的結(jié)構(gòu)布局形狀和構(gòu)件尺寸不盡要滿足自身的約束條件，還要確保目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化性。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最小，保持體積和結(jié)構(gòu)兩者之間的平衡性是約束條件的主要內(nèi)容[6]。其中被優(yōu)化后的數(shù)學(xué)模型如下面的公式所示。

MinC=FTD

s.tf=（V-V1）/V0

Xmin≦Xi≦Xmax

F=KD

上述數(shù)學(xué)模型公式中，結(jié)構(gòu)應(yīng)變能—C、結(jié)構(gòu)充滿材料的體積—V、結(jié)構(gòu)外載荷矢量—F、單元密度小于Xmin的材料體積—V1、剩余材料的百分比—f、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)域體積—V0、單元設(shè)計(jì)變量—Xi、單元密度上限—Xmax、單元密度下限—Xmin、結(jié)構(gòu)剛度矩陣—K。

三、改進(jìn)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)空間

轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)懸掛方式有不同的分類(lèi)，一類(lèi)是架懸、一類(lèi)是軸懸，還有一類(lèi)是體懸。現(xiàn)階段一臺(tái)獨(dú)立的牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)跨座式單軌轉(zhuǎn)向架中的單根軸，其中促使?fàn)恳姍C(jī)完成跨座式單軌轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)任務(wù)的是減速器。構(gòu)架穩(wěn)定輪支架上要安裝減速器和電機(jī)。電機(jī)軸與減速器之間的連接依靠聯(lián)軸器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸和輸出軸呈垂直的位置關(guān)系[7]。借助體懸的方式將牽引電機(jī)懸掛在車(chē)體底架上，此種懸掛方式可有效控制轉(zhuǎn)向架構(gòu)架質(zhì)量，并與高蛇形穩(wěn)定臨界速度保持相對(duì)一致。此外，體懸方式還可以確保列車(chē)整體運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升牽引電機(jī)的可維護(hù)性和可靠性，對(duì)于列車(chē)整體運(yùn)行速速的提升有重要幫助。

本次研究中進(jìn)一步改進(jìn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)果的整體思路如下：基于架構(gòu)中心相對(duì)對(duì)稱的優(yōu)化目的，將原設(shè)計(jì)牽引電機(jī)支座去除，將原有半軸設(shè)計(jì)改為通軸設(shè)計(jì)。其中拓?fù)鋬?yōu)化轉(zhuǎn)向架構(gòu)架CAD模型如圖1所示。該模型與原有的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相比較，半軸驅(qū)動(dòng)形式是其驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)主要模式，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上將其改為通軸驅(qū)動(dòng)形式，由此得出了構(gòu)架優(yōu)化區(qū)域和非優(yōu)化區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)劃分轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體的目的。其中優(yōu)化轉(zhuǎn)向架構(gòu)架網(wǎng)格模型如圖2所示。

四、構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化模型

（一）轉(zhuǎn)向架構(gòu)架材料的選擇

16MnR是跨座式單軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主要材料，其中此種材料的具體參數(shù)如下：7.9×103 kg/m3為此種材料的密度，2.09×105 MPa為此種材料的彈性模量，396 MPa為此種材料的屈服極限，566 MPa為此種材料的強(qiáng)度極限，340 MPa為此種材料的許用應(yīng)力[8]。

（二）荷載和約束分析

集合跨座式單軌車(chē)輛的運(yùn)行特點(diǎn)，本次研究中分別選擇了三種具有代表意義的工況，第一種為滿載靜止工況;第二種為轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況;第三種為轉(zhuǎn)彎牽引工況，分別對(duì)以上三種工況下構(gòu)架的受力情況進(jìn)行分析。其中詳細(xì)的分析過(guò)程見(jiàn)表1所示。

（三）拓?fù)鋬?yōu)化模型設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)采用變密度法，此種方法的發(fā)展基礎(chǔ)為均勻化方法。其中變密度法的基本思路是，引入一種密度可變材料，該材料的密度在[0，1]，離散連續(xù)體結(jié)構(gòu)，將其變?yōu)橛邢拊Y(jié)構(gòu)，隨后將設(shè)計(jì)變量看作每個(gè)單元的密度，由此就實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題到單元材料最優(yōu)分布問(wèn)題的轉(zhuǎn)變。其中拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)架有限元模型如圖3所示。六面體網(wǎng)絡(luò)是該有限元模型采取的劃分模式，128575為單元總個(gè)數(shù)，164940為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)下，將數(shù)學(xué)模型問(wèn)題設(shè)計(jì)給優(yōu)化對(duì)象，其中具體描述如下：設(shè)計(jì)區(qū)域柔度最小的為目標(biāo)函數(shù);體積分?jǐn)?shù)是約束條件，體積分?jǐn)?shù)=（當(dāng)前迭代的總體積-初始非設(shè)計(jì)區(qū)域體積）/初始設(shè)計(jì)體積，為計(jì)算體積分?jǐn)?shù)的公式，對(duì)體積分?jǐn)?shù)的要求是最大為0.3?？v向、橫向兩中心平面對(duì)稱構(gòu)架。

五、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

Optistruct計(jì)算結(jié)束后，要想對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行查看需要借助HyperView。0.3可以為密度閾值。其中拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果見(jiàn)圖4-圖5 圖6。

分析上圖可以發(fā)展，3種工況下的穩(wěn)定輪安裝支架和齒輪箱座安裝支架的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果是一樣的。其中工況2和工況3的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果高度一致。工況2和工況3的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果與工況1相比較，在施加慣性力和側(cè)向力的情況下，產(chǎn)生了豎梁。其中豎梁位于圖2位置2和3處。斜撐結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在了兩側(cè)側(cè)向力豎梁處。工況2和工況3的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中，安全輪安裝支架位置出現(xiàn)了斜撐結(jié)構(gòu);當(dāng)前轉(zhuǎn)向架與走行輪安裝之間的形狀具有很高相似性，除去電機(jī)安裝座穩(wěn)定輪支架后，起到的優(yōu)化效果是非常顯著的，中間的斜撐可以起到較強(qiáng)的加固作用，這與力的傳遞效果高度一致[9]。其中工況1中一共迭代25次。工況2中一共迭代28次，工況3中一共迭代29次。在逐步增加迭代的過(guò)程中，應(yīng)變能的趨勢(shì)為逐漸下降，其中前4次拓?fù)鋬?yōu)化變化最為明顯，> 60%為應(yīng)變能下降幅度，第5次迭代到最后一次迭代，平緩為應(yīng)變能變化特征。整體分析可見(jiàn)拓?fù)鋬?yōu)化之后的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架應(yīng)變能，與初始應(yīng)變能相比較，下降趨勢(shì)明顯，有明顯的優(yōu)化效果。

六、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，跨座式單軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架在未來(lái)的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化設(shè)計(jì)上，在滿足車(chē)輛運(yùn)行性能的基礎(chǔ)上，可以嘗試傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多種布局方式，適當(dāng)將原有構(gòu)架用材減少，促使轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化、輕量化，實(shí)現(xiàn)構(gòu)架中心的完全對(duì)稱性，這對(duì)提高車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王振，韓曉輝，樊貴新，李和平，李繼山.跨坐式單軌車(chē)輛用氣轉(zhuǎn)液制動(dòng)夾鉗單元的研究[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛， 2016，36（01）：108-113+118.

[2]杜子學(xué)，楊進(jìn).基于隱式參數(shù)化模型的跨坐式單軌車(chē)輛車(chē)體多學(xué)科輕量化優(yōu)化[J].城市軌道交通研究， 2019，22（12）：85-88.

[3]王志偉，葛懷普，趙明明，朱龍輝，吳月峰.跨坐式單軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架總組定位工裝設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通研究， 2019，22（10）：118-121.

[4]李小珍，葛延龍，晉智斌，朱艷.軌道梁動(dòng)力行為對(duì)跨座式單軌車(chē)輛走行性能的影響[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2018，15（12）：3225-3231.

[5]許亮.曲線超高率對(duì)單軸轉(zhuǎn)向架跨座式單軌車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響[J].無(wú)線互聯(lián)科技， 2018，15（16）：117-119.

[6]杜子學(xué)，唐飛，何欽洪，閭志明.走行輪失效對(duì)跨座式單軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2018，37（09）：122-127.

[7]羅湘萍，田師嶠.雙軸跨坐式單軌車(chē)輛迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)性能研究[J].機(jī)電一體化， 2016，22（11）：19-23+34.

[8]杜子學(xué)，曹丹婷.跨座式單軌車(chē)輛空氣彈簧失效對(duì)行車(chē)安全性能的影響研究[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng)， 2016（05）：76-80.

[9]李旭娟，繆炳榮，史艷民，陳建政，譚仕發(fā).CZ170型跨坐式單軌作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)分析與測(cè)試[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛， 2016，36（02）：107-111.