懸掛式單軌吊架強(qiáng)度分析*

薛鈺宇，王伯銘，黃海鳳，蕭 明

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.寧波大學(xué) 商學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，單軌交通憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢如占地面積小、建設(shè)成本低、環(huán)境友好、良好的爬坡能力、噪聲小等受到廣大軌道交通建設(shè)者青睞，促使軌道交通相關(guān)領(lǐng)域的科研人員對懸掛式單軌進(jìn)行各個方面的研究：馬登峰等對懸掛式單軌車輛懸吊梁進(jìn)行了強(qiáng)度分析，得出整體結(jié)構(gòu)在各工況下滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求[1]；Jiang等對兩種不同鉸接式單軌車輛曲線通過性能進(jìn)行比較，得出對于通過小半徑曲線的車輛，“無搖枕”結(jié)構(gòu)是較好的選擇[2]；陳志輝等對懸掛式單軌車輛懸掛參數(shù)對運(yùn)行平穩(wěn)性的影響進(jìn)行了研究，得出車輛定載及重載工況動力學(xué)性能優(yōu)于空載[3]；朱健偉通過研究發(fā)現(xiàn)二系垂向剛度的變化會使車體垂向振動加速度呈波動性變化[4]。

車輛的吊架空氣彈簧安裝座接觸面坐落在懸吊梁上空氣彈簧處，再通過銷軸座連接車體，同時(shí)承受拉伸和壓縮載荷。因此，吊架的強(qiáng)度對車輛運(yùn)行的安全性和可靠性有重要影響。本文根據(jù)EN標(biāo)準(zhǔn)對吊架進(jìn)行了靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度分析，并通過MATLAB得出吊架Goodman疲勞曲線圖。

1 有限元分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

在CREO中建立的吊架三維模型如圖1所示。車輛的吊架采用由鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，下面部分直接與車體相連，主要承受和傳遞車體與懸吊梁之間的力，車體的重量通過吊架直接壓在空氣彈簧上作用在懸吊梁左右兩側(cè)。

1.2 有限元模型處理

將吊架模型導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用Solid185單元；賦予表1所示的材料屬性。整個吊架模型共含有實(shí)體單元817 429個、節(jié)點(diǎn)1 345 284個。吊架有限元模型如圖2所示。

圖2 吊架有限元模型

表1 材料屬性

1.3 邊界條件

本文根據(jù)EN_13749/2011、UIC_515-4/1993等標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合吊架結(jié)構(gòu)實(shí)際情況施加邊界條件:將銷軸座完全約束，在吊架與空氣彈簧接觸面、橫向減振器、垂向減振器處施加集中力。

1-安全鋼索座；2-空氣彈簧接觸面；3-橫向減振器安裝座；4-銷軸座；5-垂向減振器安裝座

1.4 吊架工況分析

1.4.1 吊架超常工況分析

建立的超常工況載荷如表2所示。由于目前還未有關(guān)于單軌車輛各個部件相關(guān)強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，尤其是空氣彈簧過充時(shí)安全鋼索承受的載荷，故本文中安全鋼索座承受的載荷是根據(jù)空氣彈簧過充時(shí)的壓強(qiáng)與垂向載荷的差確定的。根據(jù)表2載荷得到的吊架在超常工況下的應(yīng)力云圖如圖3所示，最大應(yīng)力部位及數(shù)值如表3所示。由表3可知，最大應(yīng)力部位在安全鋼索座處，其值為281.512 MPa。

圖3 部分超常工況下應(yīng)力云圖

表2 超常工況載荷 N

在超常靜載荷情況下，焊縫區(qū)材料的極限強(qiáng)度安全系數(shù)取1.1，非焊縫區(qū)取1，因此許用應(yīng)力分別為322.7 MPa(焊縫區(qū))和355 MPa(非焊縫區(qū))。由表3可知，最大應(yīng)力值都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，故其滿足列車運(yùn)行的強(qiáng)度要求。

表3 超常工況下吊架最大應(yīng)力部位及數(shù)值

1.4.2 吊架正常運(yùn)營工況

建立的正常運(yùn)營工況載荷如表4所示。根據(jù)表4載荷得到的吊架在正常工況下的應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力部位及數(shù)值如表5所示。由表5可知，最大應(yīng)力部位在橫向減振器安裝座處，其值為137.502 MPa。

圖4 部分正常工況下應(yīng)力云圖

表4 正常運(yùn)營載荷 N

在正常運(yùn)營載荷情況下，焊縫區(qū)材料的極限強(qiáng)度安全系數(shù)取1.65，非焊縫區(qū)取1.5，因此許用應(yīng)力分別為215.2 MPa(焊縫區(qū))和236.7 MPa(非焊縫區(qū))。由表5可知，最大應(yīng)力值都在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)，故其滿足列車運(yùn)行的強(qiáng)度要求。

表5 正常運(yùn)營工況下吊架最大應(yīng)力部位及數(shù)值

2 疲勞分析

以表4中的正常運(yùn)營載荷工況計(jì)算疲勞強(qiáng)度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)UIG_515-4、EN_13749提供的疲勞強(qiáng)度評估方法，對吊架應(yīng)用基于無限壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的疲勞極限法[5]，得出如圖5所示的Goodman疲勞極限圖。

依據(jù)UIC_515-4標(biāo)準(zhǔn)，在做疲勞試驗(yàn)的場合，少數(shù)測量點(diǎn)的應(yīng)力值可以超過極限應(yīng)力，最多可達(dá)20%。由圖5可見，實(shí)體單元的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力都落在母材包絡(luò)線以內(nèi)，故吊架整體滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

圖5 吊架Goodman疲勞極限

3 結(jié)束語

本文通過ANSYS計(jì)算分析吊架在超常工況、運(yùn)營工況下受力狀況及疲勞壽命，確定了整體結(jié)構(gòu)在各工況下滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求。但由于目前還未有關(guān)于單軌車輛各個部件相關(guān)強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，尤其是空氣彈簧過充時(shí)安全鋼索承受的載荷，本文中安全鋼索座承受的載荷采用的是空氣彈簧過充時(shí)的壓強(qiáng)與垂向載荷的差，可為相似結(jié)構(gòu)的研究計(jì)算提供一定的參考。