CZ170型跨坐式单轨作业车转向架构架结构分析与测试*

李旭娟， 缪炳荣， 史艳民， 陈建政， 谭仕发

(西南交通大学　牵引动力国家重点实验室, 四川成都 610031)



CZ170型跨坐式单轨作业车转向架构架结构分析与测试*

李旭娟， 缪炳荣， 史艳民， 陈建政， 谭仕发

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 四川成都 610031)

针对CZ170型跨坐式单轨作业车进行应力试验。依据GB50458-2008跨坐式单轨交通设计规范对该型车辆转向架构架进行实时应力测试。采用应力应变原理，进行该型车辆转向架构架的强度测试和分析。测试得到跨坐式单轨作业车在平直道工况，弯道工况，上坡道工况，下坡道工况的应力值。根据该单轨转向架构架材料Q345A的相关材料特性以及机车车辆结构静强度评价方法进行评价结果。由测试结果知，在超常工况下，构架纵向梁与端梁的焊缝处应力较大，且最大应力值不超过许用应力，则构架结构满足应力要求。

跨坐式单轨车辆； 转向架构架； 应力测试； 静强度评价方法

单轨交通系统是一种由单条轨道组成的典型高架交通方式，作为一种新型城市轨道交通系统，其具有解决当前城市交通拥挤问题，高效，环保，减小噪声等优势[1]。而跨坐式单轨车辆作为单轨交通方式的一种，是通过骑跨于轨道梁上而行驶[2]。跨坐式单轨交通作为一种城市快速客运交通工具，具有运量大，方便快捷，爬坡能力强，适应小半径曲线等特点，非常适合于地形复杂，弯道多，地面起伏较大的城市[3]。重庆市由于其特殊地形条件，将跨坐式单轨交通系统作为城市轨道交通首选方式，而且重庆单轨作为在中国首个城市推出的交通方式，是于在2005年6月18日公开[4-5]。目前跨坐式单轨交通系统已经在重庆市得到应用，相关研究逐渐引起工程、学术界的重视[6]。同时为我国其他城市的跨坐式单轨交通制式的应用和推广奠定了良好的基础和条件[7]。

依托于中铁宝工有限责任公司新近研制的CZ170型跨坐式单轨作业车的相关基础资料展开研究，并基于在重庆(重庆轨道3号线)进行的线路专业测试试验结果，以及国内外相关研究基础上，对该跨坐式单轨转向架构架的结构应力进行较深入的理论分析和试验研究，并对试验结果进行评价，为企业的技术设计提供技术支持。希望为我国城市地铁和高架轻轨交通的发展、设计及技术的再创新提供试验依据，同时有利于跨坐式轻轨列车在国内其他城市的推广应用。

1　CZ170型跨坐式单轨作业车简介

CZ170型单轨作业车是中铁宝工有限责任公司为跨坐式轨道交通专门设计开发的作业车，如图1所示。主要用于检修轨道梁上安装的供电、信号、通信、机电系统设备设施。运送维护人员、器材、工具到作业现场，具备设备抢修和应急救援功能。

其主要技术参数为：车辆最高运行速度为40 km/h，最小通过曲线半径为50 m，外形尺寸为8 300 mm×2 900 mm×5 160 mm，整备重量为15 t，承载载荷为800 kg，发电机功率为186 kW。

图1　现场试验的跨坐式单轨车辆

2　转向架构架结构

CZ170型跨坐式单轨作业车转向架结构和主要尺寸应与轨道梁相匹配，并保证其相关部件在允许磨损限度内，仍能有足够的强度和刚度，确保列车以最高允许速度安全平稳运行。即使在支撑或减振系统发生故障时，也应能确保车辆轨道梁上安全返回车辆段。

图2　跨坐式单轨车辆转向架构架

3　试验内容介绍

3.1试验简介

本次试验是在重庆轨道交通3号线龙头寺站与鸳鸯站间进行正线在线动应力测试，根据文献[10]以及相关资料，3号线线路南起鱼洞，北至江北国际机场，全长约55.5 km，采用PC混凝土轨道梁，最小曲线半径正线100 m，站线 50 m，最大坡度60‰。

根据GB 50458-2008跨坐式单轨交通设计规范对该转向架构架进行应力测试。目的是确保该单轨作业车在超常载荷工况下能安全可靠运行。通过对该作业车转向架构架进行应力贴片测试，根据疲劳强度报告[11]，结合其在线路上运行的实际工况，包括牵引-上坡道(加配重1 t)，牵引-弯道(加配重3 t)，和牵引-下坡道(加配重3 t)等，应用数据采集系统采集线路实测数据。该试验的主要设备和仪器包括德国imc集成测控公司的FAMOS数据采集系统，动态应力应变仪、计算机和应变片(温度补偿片)以及若干数据线等。

3.2测点布置

本文的难点在于跨坐式单轨作业车转向架属于新型转向架，应力选取方案难度较大。在线路实测条件下，为了了解该转向架构架在要求工况运行时的结构特性，主要对单轨转向架的4种作业工况：静态工况、运行工况、曲线工况、和牵引工况等进行有限元结构强度分析计算，得到高应力测点(也即危险部位)，选取这些高应力点作为试验的测点，具体位置如表1所示。根据有限元计算中显示的危险部位[11](转向架构架在曲线工况的边界条件如图3所示)。对构架布置了20个应力测点，特别是对该单轨作业车转向架构架的主要焊缝部位进行重点测量。

图3　构架边界条件

表1　测点位于构架的位置

各个测点的详细布置见图4～图6所示。其中，图示贴有应变片标记但没有标出测点号的位置是对应测点的对称位置，每一个应变片都备有一个温度补偿片。为保证采集应力数据的可靠性，本次构架试验贴片方式为半桥。在构架变形较小区域粘贴和测试片同材料的应变片作为温度补偿片，并连接在应变片相邻的桥臂上，这样当环境温度变化时可以作为温度补偿，用以消除应变片测量误差。

图4　构架应力测点布置主视图

图5　构架应力测点布置侧视图

图6　构架应力测点布置俯视图

4　数据结果处理

4.1数据采集

进行试验时，按照试验常规采用的采样频率重点测取该单轨转向架构架各处的实际的应力，利用FAMOS数据处理软件，应力应变仪，计算机，数据线等实时采集该单轨车转向架构架结构上相关位置的数据信息，包括应力，应变信息。为了数据处理方便起见，本次试验对采集的应变信息全部处理为应力信息，具体由式(1)的关系进行。具体的数据处理流程如图7所示。

(1)

其中E为材料的弹性模量。

4.2理论背景

根据文献[12]，机车车辆承载结构强度评定分为静强度和疲劳强度评定。静强度评价方法是：该单轨车转向架构架在相关标准规定的载荷作用下，在正常运行载荷作用下，其最大Von_Mises应力不大于制造材料的许用应力，即

(2)

图7　数据处理流程

材料名称Q345A抗拉强度/MPa470-630屈服强度/MPa345许用应力/MPa正常工况超常工况非焊缝区230345焊缝区209313

4.3数据结果分析

根据处理完毕的数据，在Origin中进行分析，得到该跨坐式单轨作业车分别在4种线路条件(牵引-上坡道(加配重1 t)，牵引-弯道(加配重3 t)，和牵引-下坡道(加配重3 t)等)下的应力数据值如图8～图11所示。图示中分别记录了各测点的应力平均值，最大值，最小值。

图8　上坡道加配重1 t各测点应力值

图9　平直道加配重3 t各测点应力值

图10　下坡道加配重3 t的各测点应力值

图11　弯道加配重3 t的各测点应力值

由图8～图11显示的测试结果知：在上坡道加配重1 t工况下最大应力绝对值出现在测试点3(13)位置，其最大应力为-295.791 MPa，由表1知该位置为构架纵向梁与端梁的焊缝处。在平直道加配重3t工况下最大应力绝对值出现在测试点3(13)位置，其最大应力为-300.302 MPa。在下坡道加配重3t工况下最大应力绝对值出现在测试点3(13)位置，其最大应力为-307.435 MPa。在弯道加配重3 t工况下最大应力绝对值出现在测试点3(13)位置，其最大应力为-304.601 MPa，由表1知该位置为构架纵向梁与端梁的焊缝处，在超常工况下焊缝处最大应力值不超过313 MPa，则在这4种工况下，构架结构满足应力要求。

因此，构架纵向梁与端梁的焊缝处应力值较大，焊接时应当保证足够的焊接强度，同时在日常维修时此处应当着重检查、保养。

5　结　论

通过对CZ170型单轨车作业车转向架构架进行应力测试、数据处理、结果分析等，在上坡道加配重1 t工况、平直道加配重3 t工况、下坡道加配重3 t工况、弯道加配重3 t工况下，根据该单轨转向架构架材料Q345A的相关材料特性以及机车车辆结构静强度评价方法进行评价测试结果。由测试结果知，在超常工况下，构架纵向梁与端梁的焊缝处应力较大，且最大应力值不超过许用应力，则构架结构满足应力要求。由选取的应力点核实，采用的试验工况合理，对结果的计算和分析较正确。焊接时应当保证该焊接处足够的焊接强度，同时在日常维修时此处应当着重检查、保养。

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[3]施洲,蒲黔辉,高玉峰,等.重庆市跨坐式单轨交通系统动力试验研究[J].振动与冲击,2008,27(12) :101-106.

[4]Taketoshi Sekitani, et.al. China's First Urban Monorail System in Chongqing[J].Hitachi Review, 2005,54(4):193:197.

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[6]马继兵,蒲黔辉,夏招广.重庆跨坐式单轨交通系统动载试验研究[J].铁道工程学报,2007,11:69-75.

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[12]米彩盈.铁道机车车辆结构强度[M].成都:西南交通大学出版社,2007.

Analysis and Test of Bogie Frame Structure for CZ170 Straddle-type Monorail Vehicle

LIXujuan,MIAOBingrong,SHIYanmin,CHENJianzheng,TANShifa

(Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

This paper mainly introduces the stress test aiming at CZ170 straddle-type monorail vehicle. The stress test of bogie frame was performed according to the type monorail transportation design specification GB50458-2008, and the strength test and analysis was conducted using the theory of stress and strain. The stress values were obtained including static state conditions, straight road conditions, bend road conditions, downhill conditions. By the relevant material properties of bogie material Q345A and the static strength evaluation method based on the structure of rolling stock, the results were evaluated. The test results show that the stress of the weld position between the bogie frame longitudinal beam and the end beam has greater value in extraordinary conditions, the maximum stress value does not exceed the allowable stress value, and the frame structure can meet the stress requirements.

straddle-type monorail vehicle; bogie frame; stress test; static strength evaluation method

1008-7842 (2016) 02-0107-05

��)女，硕士研究生(

2015-12-29)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.26

*国家自然科学基金(51375405)