悬挂式单轨车辆悬吊梁强度分析*

马登峰，王伯铭

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

悬挂式单轨车辆作为一种新型城市轨道交通系统，近年来受到越来越多的关注。悬挂式单轨交通系统区别于传统的轨道交通系统，转向架位于高架的箱形轨道梁内部，悬吊梁承接转向架和车体，起到传递车体与转向架之间的各向力、保持车辆平稳运行等作用。悬吊梁作为悬挂式单轨车辆的重要组成部分，对车辆安全运行起到重要作用，所以需要对悬吊梁结构进行必要的强度分析。

1 悬吊梁结构分析

悬吊梁是承接转向架和车体的中间部件，悬吊梁结构如图1所示。悬吊梁上方采用悬吊销轴与转向架连接，两侧的梁臂处设置橡胶沙漏簧，通过车体吊架承载车体以传递垂向力；悬吊梁中间设置开孔用来减轻自身重量，同时开孔位置设置牵引拉杆用来传递纵向力；橡胶沙漏簧能够传递部分横向力，当车体发生较大幅度的横向运动时，车体两侧设置的横向止挡发挥作用来限制车体横向运动，沙漏簧和横向止挡共同传递横向力。

1-横向减振器；2-牵引拉杆；3-安全钢索；4-车体吊架；5-悬吊梁；6-悬吊销轴；7-斜向减振器；8-橡胶沙漏簧；9-横向止挡；10-垂向减振器

悬吊梁是采用低合金钢Q355E焊接而成的箱型结构，在梁上焊接有牵引拉杆座和横向、垂向减振器座以及斜向减振器座，配合牵引拉杆以及各种减振器实现车辆的安全平稳运行[1]。本文使用CATIA软件建立其三维模型，接着导入HyperMesh中进行有限元处理。所有单元均采用实体单元进行网格划分，整个有限元模型中共存在单元数2 925 376个、节点数737 661个。

2 载荷和工况分析

本文参考EN13749、UIC615等标准，结合悬挂式单轨车辆运营状况，建立针对悬挂式单轨车辆的悬吊梁结构强度试验方法。在计算悬挂式单轨车辆悬吊梁时，主要考虑其所受的垂向力、横向力、纵向力、侧风以及减振器载荷等附加载荷。悬吊梁所受垂向力由车体吊架通过弹簧传递到两侧梁臂处；所受横向力包括车辆经过道岔和曲线的横向振动载荷以及侧风影响产生的横向载荷，横向载荷由橡胶弹簧和横向止挡共同传递；纵向力包含车辆牵引和制动工况由牵引拉杆传递的纵向载荷；各向减振器起到缓冲减振作用，载荷大小根据标准文件设定。

3 悬吊梁载荷工况组合

3.1 基本载荷

悬吊梁载荷工况分为超常工况和运营工况，每种工况由基本载荷和附加载荷构成。EN13749中存在对应于垂向力和横向力组合的静态测试载荷工况，向该组合工况增加纵向力载荷，重新组合成基本载荷工况。规定列车启动时纵向力为正，制动时为负。侧风产生横向载荷，在计算时计入横向力中进行计算[2]。

3.2 附加载荷

区别于某悬挂式单轨车辆转向架，本设计取消抗侧滚扭杆，并采用橡胶沙漏簧替代空气弹簧，所以附加载荷主要为减振器载荷。设Fk为斜向减振器载荷，Fc为垂向减振器载荷，Fh为横向减振器载荷。

3.3 超常载荷工况和运营载荷工况组合

通过组合基本载荷和附加载荷，得到12种超常载荷工况和37种运营载荷工况。超常载荷工况通常发生在车辆经过道岔和曲线线路时，由于轨道冲击和曲线的离心力作用，车辆受到较大的载荷。运营载荷工况是车辆在运营过程中出现的所有可能工况，包含静止工况以及各种线路条件下的牵引和制动工况等。表1、表2分别为节选的部分超常载荷工况及运营载荷工况。其中，超常工况垂向载荷为计算后结果最大值，弹簧横向载荷为两个弹簧共同受力。

表1 部分超常载荷工况 N

表2 部分运营载荷工况 N

4 计算结果

4.1 静强度计算结果及分析

在超常载荷工况中，分为车辆在道岔和曲线两种情况。工况10为车辆在曲线线路起动，其应力分布如图2所示，抗侧滚止挡应力较大，最大应力为271.5 MPa。分析原因是当车辆通过曲线线路时，悬吊梁所受横向载荷较大，造成止挡处应力集中。悬吊梁采用Q355E低合金钢焊接，参考标准EN13749，选取合适的安全系数S，焊缝区域选取1.1，非焊缝区域选取1.0，超常载荷工况下的应力条件均在材料允许范围内[3]。

图2 超常工况(10)曲线起动悬吊梁应力分布图

如图3所示，运营载荷工况下，最大应力值出现在工况23曲线制动工况的悬吊梁臂弯处，应力值为169.7 MPa。对比超常载荷工况中应力最大的止挡座位置，运营载荷工况应力值得到较大改善，而悬吊梁臂弯处成为所有运营载荷工况的最大应力位置。其余工况下受不同垂向载荷影响，悬吊梁臂弯处应力值分布在113 MPa～160 MPa。同样参考标准EN13749，运营载荷工况下结构应力值在材料允许范围内。

图3 运营工况(23)曲线制动悬吊梁应力分布图

4.2 疲劳强度计算结果及分析

提取悬吊梁中所有的节点，计算各工况下所有节点的应力。依据标准UIC615—4、EN13749提供的疲劳强度评估方法，对构架应用基于无限寿命设计准则的疲劳极限法，基于疲劳裂纹拓展方向与最大主应力方向垂直的原理进行分析，计算结果如图4所示。由图4可知，悬吊梁的节点应力均落在材料的Goodman疲劳极限图的包络线内，因此悬吊梁整体的疲劳强度满足设计要求[4]。

图4 悬吊梁的Goodman疲劳极限图

5 结语

悬挂式单轨车辆的研究在国内不断开展，但是我国还没有针对悬挂式单轨车辆的计算标准。本文参考UIC615、EN13749以及其他相关研究资料，对悬挂式单轨车辆悬吊梁建立载荷计算以及工况组合方法，对所设计的悬吊梁进行静强度和疲劳强度分析。根据静载荷计算结果和疲劳强度评估结果可得，悬吊梁的整体应力小于材料许用应力，各节点应力均落在包络线内部，结构静强度和疲劳强度满足设计需要。悬挂式单轨车辆区别于传统轨道交通系统，对于其中选取标准中的部分参数还需进一步研究。本文对于悬吊梁强度的分析计算，可为相关的研究提供参考借鉴。