新型悬挂式单轨车辆转向架构架强度分析*

陈 阳，王伯铭

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

日常生活中所见到的大多数轨道车辆都是行驶在路面上，或者说传统轨道交通系统的转向架一般都在车体下方。悬挂式轨道系统与传统轨道交通不同：它的车体在转向架的下方，转向架被下方开口的轨道梁包住，然后以高架或者其他形式架在空中。这样轨道车辆就不再行驶在大地上而是空中。采用悬挂式单轨系统不仅节约了大量的土地资源，为城市规划发展提供了空间，同时由于行驶在空中，不会出现与地面车辆发生碰撞或者抢占路权的情况，符合中小城市的发展需要[1]。但是大多数悬挂式单轨车辆与传统转向架的驱动方式类似：转向架上的电动机获得电能后，电动机输出轴一端连接齿轮箱，之后再靠齿轮箱将扭矩传递到车轴上。这种传递形式传动效率不高，同时由于电机以及齿轮箱体积和质量都特别大，这使得转向架构架变得更加笨重，增加了制造成本以及维修保养难度。直驱电机悬挂式转向架由于采用了直驱电机，免去了繁琐的传动装置，减少了整个转向架质量，同时缩小了体积，有利于减小转向架轴距，提高转向架的曲线通过能力。本文对这种新型转向架进行了构架强度以及疲劳分析，为该新型悬挂式轨道交通投入运营打下了坚实的基础。

1 转向架构架

新型直驱电机悬挂式转向架以两根纵梁以及一根横梁为主要结构，安装完成后整个构架近似于一个“H”型；直驱电机安装在纵梁两侧，通过拉杆以及一系悬挂分别与横梁和纵梁相连接。在直驱电机上同时安装有牵引拉杆以及定位拉杆，通过这些拉杆来传递牵引力以及制动力等，同时电机的两端还安装有一系悬挂，通过它来传递和吸收运行中由于轨道不平顺以及其他因素产生的激励；同时由于使用了橡胶轮胎，使得爬坡能力得到了提升，但丧失了导向功能，因此还需要在转向架上安装导向轮来帮助转向架通过曲线。悬吊梁通过悬吊销与转向架相连，车体与车体吊架相连，车体吊架通过空气弹簧压在悬吊梁上。转向架总体结构如图1所示。转向架构架由薄板以及锻钢构成，横梁整体由薄板搭接，纵梁则直接锻造而成。整体呈“H”型结构，构架为对称结构，如图2所示。

1-走行轮;2-导向轮;3-悬吊装置 4-纵梁;5-横粱;6-牵引拉杆座图1 转向架总体结构 图2 转向架构架

2 构架强度分析

2.1 载荷表计算

2.1.1 构架超常载荷

由于悬挂式单轨车辆结构形式较为特殊，现可查文献中尚未有具体针对悬挂式单轨车辆构架的强度试验标准。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》[1]简称EN标准，EN标准中的B-Ⅳ类为轻轨车辆和有轨电车，这

两类车的运行方式与悬挂式转向架类似，因此本文将参考EN的B-Ⅳ类转向架的设计方法来对本文的转向架进行强度分析。

首先建立超常载荷工况表，如表1所示。

表1 部分超常载荷工况 N

2.1.2 构架正常运营载荷

正常运行载荷是在悬挂式轨道车辆正常运行时所受到的各种载荷工况的叠加，表2为正常载荷工况的载荷表。

表2 部分正常载荷工况

2.2 模型处理

首先使用SolidWorks进行构架的模型搭建，之后再生成对应stp文件，接着将模型导入Hypermesh中进行网格划分以及各种载荷的添加，网格采用四面体网格，赋值为Solid185。最后构架共离散为1 836 040个单元、433 177个节点。所用材料为Q345，材料属性见表3。

表3 材料属性

在Hypermesh中完成前处理后，模型如图3所示，其中为了简便运算，转向架构架的纵梁运用Hypermesh中的Beam进行模拟，走行轮以及橡胶轮等均采用Spring来进行模拟，之后将模型导入ANSYS进行计算。

图3 构架有限元模型

2.3 结果处理

对ANSYS结果进行分析，无论是超常载荷工况还是正常载荷工况中，较大应力均位于横梁下半部弯曲处以及横梁前后定位拉杆座处，其中超常载荷为工况2，应力大小为305.001 MPa(见图4)；正常载荷为工况18，应力大小为121.773 MPa。当转向架通过曲线时，由于在侧挡处施加了一个较大的力，止挡力对转向架构架产生了一个较大的力矩，使得在横梁下半部弯曲处以及横梁前后定位拉杆座处产生较大的应力。

图4 超常载荷工况2应力图

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，对于超常载荷工况，应力条件均在材料允许范围内[2]。

3 疲劳寿命

采用MATLAB软件编程，通过比较得到节点所有工况下的最大主应力值，将节点在其他载荷工况下的主应力投影至最大主应力方向，并比较得到节点的最小主应力，通过计算得到平均应力σm[3]。通过绘制云图来得到构架节点在Goodman疲劳极限图中的分布，如图5所示。

由图5可以看出所有的应力点均落在Goodman曲线的包络线内，没有出现超出的应力点，因此疲劳验算合格。

图5 疲劳极限图

4 结束语

目前悬挂式单轨车辆在我国的热度逐年提高，各式各样的转向架相继出现，对于这样一种新型的轨道交通，我国并没有相关的强度计算标准[4]。本文根据EN13749中对于轻轨车辆的计算标准，对这种新型悬挂式单轨转向架进行了强度以及疲劳分析，其总体满足设计要求；但是由于该结构与传统转向架的结构有较大的区别，因此使用的参数还有待于进一步研究。本文的研究对于今后相似转向架的研究计算具有参考价值。