低地板車輛用鉸接裝置強(qiáng)度試驗臺設(shè)計與驗證

蔣于龍,丁 盛

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031;2.中鐵檢驗認(rèn)證(青島)車輛檢驗站有限公司,山東 青島 266031)

0 引言

低地板輕軌車通常是指車輛地板面距軌面高度小,一般為250～350 mm的車輛,車輛連接處設(shè)多關(guān)節(jié),能夠通過小曲線(最小曲線半徑有的達(dá)到16 m)[1]。低地板輕軌車因具有靈活便捷、對使用環(huán)境依賴性低、修建工期短、造價低等突出特點,使其在城市交通運輸?shù)恼急戎饾u增加[2-5],在國內(nèi)外有較大市場。目前應(yīng)用最廣泛的低地板列車主要分為三模塊、四模塊和五模塊3種,編組形式如圖1所示。

Mc—帶司機(jī)室的動車;Mp—帶受電弓的中間動車;M—不帶受電弓的中間動車;Tp—帶受電弓的中間拖車;F—懸浮車體。

鉸接裝置作為車間連接的關(guān)鍵部件,受力工況極其復(fù)雜,其可靠性直接關(guān)系到整車安全,特別是浮動型車體由于車體下沒有轉(zhuǎn)向架支撐,而是通過鉸接裝置吊掛在相鄰的車體上,因此相鄰車體端部和車體鉸接裝置要承受很大的載荷,容易造成車體端部和鉸接裝置產(chǎn)生裂紋[6],德國Siemens公司制造的Combino系列100%低地板輕軌車,自2002年開始,陸續(xù)在車體鉸接處產(chǎn)生了裂紋問題[7-8]。

因此在設(shè)計制造過程中,須對其進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞試驗測試,保證鉸接裝置可以滿足各種惡劣工況及疲勞壽命要求。其中固定鉸安裝于列車下部,是鉸接裝置中受力最復(fù)雜、強(qiáng)度要求最高的部件。

圖2為一種常用固定鉸結(jié)構(gòu),主要由T/U形安裝座、關(guān)節(jié)軸承組件等零部件組成,固定鉸通過關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈之間轉(zhuǎn)動,能繞3個方向旋轉(zhuǎn),但限制3個方向的平動,在實際運行過程中承受車體的垂向力,傳遞大部分的縱向力和橫向力[9-10]。

圖2 固定鉸外觀圖

由于存在轉(zhuǎn)動自由度,在強(qiáng)度試驗過程中,導(dǎo)致無法將力傳遞到固定鉸回轉(zhuǎn)點上,特別是在疲勞試驗過程中,關(guān)節(jié)軸承的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致作動器無法加載。目前國內(nèi)外常用的解決方案,一是將關(guān)節(jié)軸承更換成剛性節(jié)點,使其不發(fā)生轉(zhuǎn)動;二是將關(guān)節(jié)軸承拆除,分別對兩側(cè)安裝座進(jìn)行試驗。上述方案不僅繁瑣,也不能準(zhǔn)確反映產(chǎn)品在復(fù)雜工況下的整體效果?；谝陨显囼炿y點,本文提出了一種多方向加載試驗平臺,3個方向的力值可任意組合加載,結(jié)構(gòu)簡單,搭建容易,試驗便捷且能夠完整驗證固定鉸各方向強(qiáng)度。

1 多方向試驗臺介紹

圖3所示為設(shè)計的三方向強(qiáng)度試驗臺,包含加載適配器、固定支座、平頭塊、楔形塊、短伸縮桿組件和長伸縮桿組件幾部分。長伸縮桿、楔形塊和加載適配器組成“V”形結(jié)構(gòu),2個長伸縮桿之間的夾角為90°,可限制繞Z方向和Y方向的轉(zhuǎn)動,短伸縮桿與地面之間的夾角是90°,可限制繞X方向轉(zhuǎn)動,從而限制了固定鉸所有自由度。分別在加載適配器的加載位置安裝作動器,施加3個方向的載荷,如圖3所示。

圖3 試驗臺結(jié)構(gòu)圖

長短伸縮桿組件結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要由調(diào)整桿、鎖緊螺母、桿端關(guān)節(jié)軸承、軸承銷等幾部分組成,調(diào)整桿兩側(cè)螺紋一側(cè)為左旋,另一側(cè)為右旋,可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整桿,調(diào)節(jié)伸縮桿長短,方便試驗臺安裝調(diào)試。

圖4 伸縮桿結(jié)構(gòu)圖

2 試驗臺有限元計算

通過對試驗臺的結(jié)構(gòu)分析,能滿足3個方向加載的試驗要求,然而由于固定鉸回轉(zhuǎn)點偏心、加載點與回轉(zhuǎn)中心不重合等因素影響,所以加載力和回轉(zhuǎn)中心支反力有所不同。

為了精確分析加載力值和回轉(zhuǎn)中心支反力之間的關(guān)系,同時驗證試驗臺靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是否能滿足試驗要求,以下使用ABAQUS和Fe-safe軟件分別對試驗臺進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度仿真計算。

2.1 有限元模型

對三維模型結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡化處理,本次計算暫不考慮焊縫強(qiáng)度,建立有限元模型如圖5所示。固定鉸安裝座結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使用四面體單元,其余均使用六面體單元,加載適配器、平頭塊、楔形塊和伸縮桿均使用碳鋼材料。

圖5 有限元模型

將縱向、橫向和垂向力施加在適配器各加載面,同時在固定鉸關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈中心建立參考點,與軸承內(nèi)圈球面耦合,僅約束此點3個方向平動自由度,并輸出此點支反力。桿端關(guān)節(jié)軸承使用鉸鏈模擬軸承球副。為了利于模型收斂和節(jié)約運算時間,其余接觸面均使用綁定約束,此外固定平頭塊和楔形塊底部平面,約束所有自由度。

2.2 有限元計算

參考EN 12663—2010《鐵道應(yīng)用—鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》[11],結(jié)合鉸接裝置各種惡劣工況,可計算出鉸接點靜強(qiáng)度和疲勞載荷。以已運營的某項目為例,鉸接裝置動靜載荷要求如表1所示。

表1 動靜載荷要求 kN

其中定義Fx方向為縱向(列車前進(jìn)方向),Fy方向為橫向(車寬方向),Fz方向為垂向(車高方向),載荷正號負(fù)號參考圖3中坐標(biāo)軸。

為了探求各方向加載力和回轉(zhuǎn)中心支反力之間的關(guān)系,Fx方向加載-500 kN～500 kN,Fy方向加載-50 kN～50 kN,Fz方向加載-100 kN～100 kN,每個方向力值十等分,繪制力關(guān)系曲線,如圖6～圖8所示。

圖6 縱向加載力和支反力關(guān)系曲線

圖7 橫向加載力和支反力關(guān)系曲線

圖8 垂向加載力和支反力關(guān)系曲線

通過3個方向加載力和支反力曲線分析,可得出以下結(jié)論:

(1)縱向加載力能直接作用到回轉(zhuǎn)點,試驗臺僅傳遞力,不分擔(dān)力。

(2)橫向和垂向部分加載力被試驗臺承擔(dān),試驗臺加載力和支反力之間存在線性關(guān)系。

(3)3條曲線均通過坐標(biāo)原點,拉伸和壓縮工況下2種力之間關(guān)系是相同的,也說明3種方向之間相互不影響。

(4)3個方向力值達(dá)到最大時,其坐標(biāo)點仍在線性范圍內(nèi),說明極限工況下各零部件均未發(fā)生屈服。

通過上述分析,根據(jù)現(xiàn)有項目試驗要求,可反求加載力大小如表2所示。

表2 動靜加載載荷要求 kN

根據(jù)表2中的靜載荷力值要求,極限工況為:Fx=-400 kN,Fy=48 kN,Fz=85 kN,在有限元模型中加載,得出試驗臺應(yīng)力云圖(見圖9),可知應(yīng)力最大點出現(xiàn)在加載適配器,約為63.4 MPa,遠(yuǎn)小于材料屈服極限,安全系數(shù)為3.7。計算得鉸接裝置回轉(zhuǎn)中心支反力為Fx=-400 kN,Fy=35 kN,Fz=69.6 kN,與試驗要求一致。

圖9 極限工況下試驗臺應(yīng)力云圖

試驗臺疲勞強(qiáng)度校核使用Fe-safe軟件,采用軟件內(nèi)置的FKM判定準(zhǔn)則,得出試驗臺疲勞強(qiáng)度材料利用率云圖如圖10所示,利用率最大為0.29,遠(yuǎn)小于1,說明該試驗臺完全能滿足疲勞加載需求。

圖10 材料利用率云圖

3 強(qiáng)度試驗

3.1 試驗臺搭建

試驗時首先在鉸接裝置安裝座關(guān)鍵受力位置粘貼應(yīng)變片,并使用安裝螺栓將鉸接裝置分別與固定支座和加載適配器連接,平頭塊和楔形塊使用壓板固定在地面上,最后分別在加載適配器接口安裝作動器,試驗臺搭建后如圖11所示。

圖11 試驗臺實物圖

為了驗證試驗臺能否符合上述加載要求,對長短伸縮桿也進(jìn)行貼片處理,共計6片(T01～T06),應(yīng)變片位置如圖12所示。

圖12 伸縮桿應(yīng)變片粘貼圖

3.2 試驗方法

靜強(qiáng)度試驗時,考慮鉸接裝置受力工況的復(fù)雜程度,分別進(jìn)行單方向加載、兩方向復(fù)合加載和三方向同時加載,共計18個工況,加載過程中,每一工況共進(jìn)行3次加載,第一次是為了消除結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力,取后2次應(yīng)力應(yīng)變的平均值作為檢測結(jié)果,具體步驟如下:(1)數(shù)據(jù)采集儀清零;(2)在各工況對應(yīng)位置施加指定載荷;(3)采集各載荷數(shù)據(jù),卸掉全部載荷,每項載荷分三段加載和三段卸載并記錄相應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變;(4)采集數(shù)據(jù),觀察回零結(jié)果,看是否回到零位。同時可以通過分析對稱點位置上應(yīng)變片所測數(shù)值的對稱性及線性情況結(jié)合應(yīng)力云圖對應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定驗證。這樣能全面驗證鉸接裝置在各種工況下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),更能體現(xiàn)各方向力值對鉸接裝置的影響。

疲勞試驗時,3個方向載荷采用正弦波加載,Fx、Fy和Fz先同相位加載,每循環(huán)1萬次后,將Fx和Fz的相位差改為180°加載,即每次三方向力值均同時達(dá)到最大值,最終加載1 000萬次。

3.3 試驗結(jié)果

靜強(qiáng)度試驗過程中,整個試驗臺穩(wěn)定,未出現(xiàn)較大位移,所測得的鉸接裝置應(yīng)力均小于屈服極限,通過應(yīng)變分析,最惡劣工況為Fx=-400 kN,Fy=48 kN,Fz=-85 kN,與設(shè)計要求相符,取此工況下各應(yīng)變片位置的應(yīng)力與固定鉸單獨計算的應(yīng)力進(jìn)行比較,對比曲線如圖13所示。試驗和計算應(yīng)力變化的趨勢基本相同,特別是應(yīng)力較大點的位置,誤差在可接受的范圍內(nèi)。

圖13 試驗和計算應(yīng)力對比曲線

垂直向下壓100 kN時,試驗得T01為17.63 MPa,T03為16.35 MPa,與計算結(jié)果(見圖14)僅差1 MPa左右,伸縮桿的角度、分析模型簡化等因素產(chǎn)生了此誤差。

圖14 長伸縮桿應(yīng)力云圖

短伸縮桿在整個試驗過程中,應(yīng)力接近于0,說明其幾乎不受力,僅起到輔助作用。

疲勞試驗中,試驗臺工作穩(wěn)定,疲勞加載頻率可達(dá)4 Hz,能較快完成疲勞試驗。試驗結(jié)束后,產(chǎn)品磁粉探傷未見裂紋,試驗臺無肉眼可見裂紋,所有金屬零部件未見變形,緊固件也未出現(xiàn)松動情況。

4 結(jié)論

本文分析低地板車輛對多方向試驗加載需求,結(jié)合鉸接裝置結(jié)構(gòu)原理,設(shè)計了一種新型多方向加載試驗臺,具有結(jié)構(gòu)簡單、易搭建、適應(yīng)性強(qiáng)、加載精確等優(yōu)點。首先使用有限元得出了回轉(zhuǎn)中心實際承載力和加載力之間的關(guān)系,并因此確定動靜載荷試驗工況。根據(jù)固定鉸試驗要求,搭建試驗臺并實施試驗,試驗過程中加載平臺穩(wěn)定可靠,產(chǎn)品試驗數(shù)值和計算數(shù)值接近。表明該試驗臺可實施鉸接裝置多方向載荷試驗,并給同類型單回轉(zhuǎn)點產(chǎn)品試驗提供了一種試驗裝置及試驗方案。經(jīng)過該方案驗證的鉸接裝置已在長春輕軌3號線和4號線、沈撫新區(qū)有軌電車等諸多項目上裝車運營,運營穩(wěn)定可靠,未發(fā)生任何故障。