悬挂式索轨车辆转向架构架强度分析

冯 波，王伯铭

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

为解决我国城市交通拥堵问题，目前国内已发展出的公共交通系统按照运能可分为高容量、大容量、中容量及小容量系统，虽然这些系统能够有效解决城市交通问题，但是缺少一种个人定制化的公共交通系统[1]。索轨交通是在普通缆车索道基础上，经过技术改造和创新开发形成的一种悬索式新型城市轨道交通，也称空中轨道交通或空中客车。索轨交通在一般线路上轨道采用柔性复合索轨，每在转弯区段、道岔段和车站段索轨则改用钢型材焊接成的刚性轨道，即硬轨[2]。目前在国内外索轨运用都较少，特别是国内，几乎没有关于索轨交通的研发和应用，但索轨交通具有工程结构简单、施工速度快、能适应各种复杂地形、对城市环境影响很小并优化城市景观等特点，有良好的发展前景。本文介绍一种适用于柔性轨道的悬挂式索轨车辆，其中转向架构架是车辆的重要承载部件之一，也是车辆的运行基础，既用来传递来自车体和轮轨的载荷，也为其他零部件提供安装基座[3]，其结构强度合格与否直接关系到车辆运行的安全性，因此需要对其进行必要的强度分析。

1 索轨车辆及其转向架构架结构

本文介绍的索轨车辆总体结构如图1所示。该索轨车辆采用单节车编组，每个车辆包含一个转向架。转向架整体结构为非对称式结构，通过前后两个走行轮压在柔性钢索轨道上提供牵引力，钢索轨道两旁4个实心橡胶导向轮提供导向力。该车辆使用轮毂电机进行驱动，简化了结构的同时提高了动力传递效率，在构架上方纵梁与车轴连接处设置有橡胶套代替普通轨道车辆的一系悬挂，以保证车轴相对构架具有一定的自由度。车体通过车体横梁与构架枕梁相连，中间设置4个弹簧减振器起减振和缓冲作用，并设置纵向布置的牵引拉杆传递牵引力。另外，为了限制车体横移，设置了横向弹性止挡。转向架构架结构如图2所示，下方由两根枕梁及一根横梁组成，牵引拉杆座为整体铸件焊接到横梁上，在上方由两根纵梁组成，两边设置有导向轮安装座、车轴孔以及键槽，中间连接上下两个部分的吊梁为分叉结构，保证构架具有足够的刚度，防止在运行过程中变形过大。

1-构架；2-轮毂电机；3-柔性钢索；4-导向轮；5-车体；6-横向止挡；7-牵引拉杆；8-弹簧减振器；9-车轴及橡胶套；10-走行轮

2 车辆各向力的传递

车辆在运行过程中受力情况比较复杂，但总体上可以分为三个方向上的力，即垂向力、横向力和纵向力，三个力传递过程如下：

垂向力：车体—弹簧减振器—构架枕梁—构架横梁—构架纵梁—车轴—走行轮—钢索轨道。

横向力：钢索—导向轮—构架纵梁—构架横梁及枕梁，此时当横向力较小时，后续路径为构架横梁及枕梁—弹簧减振器—车体；当横向力较大时，后续路径为构架横梁及枕梁—弹簧减振器+横向弹性止挡—车体。

纵向力：钢索轨道—走行轮—车轴—构架纵梁—构架横梁—牵引拉杆—车体。

11-纵梁；12-导向轮安装座；13-牵引拉杆座；14-枕梁；15-横梁；16-吊梁；17-车轴孔及键槽

3 转向架构架强度分析

3.1 载荷工况计算

由于索轨车辆属于新型轨道车辆，其结构较为特殊，在国内外可查文献中并没有针对索轨车辆转向架构架的强度试验标准。本文选用DIN EN13749∶2011《铁路应用—轮对与转向架—转向架构架结构要求的规定方法》(简称EN标准)对此索轨车辆转向架构架强度进行评价[4]。EN标准中共划分了7种类型的轨道车辆转向架，其中的B-Ⅳ类为轻轨车辆和有轨电车转向架，这两类轨道车辆的运行方式与索轨车辆较为接近，故本文参考EN标准中B-Ⅳ类转向架的设计方法对本文索轨车辆转向架构架进行强度分析。

通过参考EN标准，并结合本文索轨车辆的特殊性，经分析可知，转向架构架在运行过程中所受主要载荷有垂向载荷、横向载荷、纵向载荷，以及运行时受到的纵向冲击、紧急制动力、起动牵引力，另外，特殊部件如减振器及轮毂电机也会在运行过程中产生一定的载荷。

经过分析计算，确定了该索轨车辆的载荷工况，其中共计9个超常载荷工况及31个正常运行载荷工况，规定纵向力在列车牵引时为正方向、列车制动时为负方向。部分工况组合如表1、表2所示。

表1 转向架构架超常载荷工况组合(部分) N

表2 转向架构架正常运营载荷工况组合(部分)

3.2 模型处理

本文介绍的索轨车辆转向架构架主要由板材焊接而成，所用金属材料为Q355E低合金钢，材料属性见表3。其屈服极限为355 MPa，在超常载荷工况下，参考EN标准，材料的极限强度对应的安全系数S在焊缝区取1.1，在非焊缝区取1.0，超常载荷工况下结构的最大应力值不应超过许用强度的范围。

表3 材料属性

首先在SolidWorks软件中完成模型的创建，然后将模型导入hypermesh中进行网格划分、属性赋予并施加载荷，之后利用ANSYS软件进行结果求解。

本文有限元模型所划的网格主体部分为八节点六面体单元，以提升求解精度及求解速度；在牵引拉杆座处使用四面体单元以模拟精细结构。为准确模拟实际情况，在导向轮处利用弹簧单元施加横向弹性约束，在轮轴孔处利用弹簧单元施加纵向及垂向约束，并且在左右轴孔之间利用梁单元模拟车轴。索轨车辆转向架构架有限元模型如图3所示。

图3 索轨车辆转向架构架有限元模型

3.3 计算结果分析

3.3.1 超常载荷工况下构架静强度结果分析

对于超常载荷工况，转向架构架最大应力出现在工况5下，即过道岔起动牵引工况。按照EN标准，在对B-Ⅳ类转向架进行强度分析时，应当考虑1.3倍最大加速度引起的特殊负载，此时构架所受负载为过道岔垂向载荷以及纵向的起动牵引力，其最大应力出现的位置是在构架吊梁前盖板折弯处，最大应力值为185.3 MPa，如图4所示。超常载荷工况下构架强度计算结果见表4，在所有9个超常工况下，构架最大应力值均低于许用应力值，最小安全系数为1.916，远高于许用安全系数值1.1，故该构架静强度满足设计要求[5]。

图4 超常载荷工况5下的构架应力云图

表4 超常工况下构架最大应力部位及数值

3.3.2 正常运营载荷工况下构架疲劳强度结果分析

在进行构架疲劳强度分析时，应提取构架有限元模型内所有节点，分别计算全部工况下所有节点应力。依据UIC615-4、EN标准提供的疲劳强度评估方法，对构架基于无限寿命设计准则的疲劳极限法，以及疲劳裂纹扩展方向与最大主应力方向垂直的原理进行分析。利用MATLAB软件处理有限元计算后构架结构应力分布数据，将多轴应力转化为单轴应力，并确定构架评估节点的平均应力σm、最大应力σmax、最小应力σmin和应力幅，最后按照对应制造材料Q355E的修正疲劳极限图评估转向架构架关键焊缝的疲劳强度是否满足设计要求。

索轨车辆转向架构架疲劳强度计算结果如图5所示， 构架上所有节点应力均位于材料的Goodman疲劳极限图包络线以内，有少量节点位于焊缝的包络线以外。

图5 转向架构架Goodman疲劳极限图

在hypermesh中查看这些节点，一共26个位于焊缝包络线以外，节点位置如图6所示。可看出这26个节点位于构架吊梁前盖板折弯处，均为母材上的节点，因此构架疲劳强度满足设计要求。

图6 超出疲劳极限图焊缝包络线以外的节点

4 结语

本文介绍了一种悬挂式索轨车辆的结构，并参考EN13749、UIC615等标准及其他参考资料对其转向架构架进行了静强度和疲劳强度分析。通过分别对超常载荷工况和正常运营载荷工况下构架的应力情况进行计算并评价其静强度和疲劳强度，可得所有超常载荷工况的结构应力值均小于材料许用应力，正常运营载荷工况下构架所有节点应力均落于材料Goodman疲劳极限图包络线以内，在焊缝包络线以外的点均位于母材上，因此构架的静强度和疲劳强度满足设计要求。本文对索轨车辆转向架构架强度的分析可为索轨交通系统今后的相关研究发展提供一定的参考。