一种用于悬挂式单轨列车的牵枕缓结构

李铮

（中铁工程机械研究设计院有限公司,武汉 430000）

0 引言

随着城市轨道交通建设由城市主城区向周边区域、一线城市向二三线城市延伸，对中低运量的新型制式轨道交通系统的需求日益增加[1]。得益于此，国内悬挂式单轨技术得到了长足的发展，但是由于国内悬挂式单轨起步较晚，缺少相应的技术积累及实践经验，尤其涉及到车辆安全性的关键部分，其设计方案有待完善和提高[2]。

悬挂式单轨列车的牵枕缓结构用于车体和转向架、车体和车钩的连接，其负责将牵引动力传递到车体[3]，牵枕缓作为整个车体结构的核心部件, 具有承载力大并承受动载荷的特点[4]。因而在设计制造过程中，牵枕缓结构面临着高结构强度要求、工艺复杂、制造困难等问题。另一方面，悬挂式单轨交通作为中低运量的交通方式，其车体相对较小，轴距、车长仅为地铁车辆的1/2不到，因此牵枕缓外形尺寸受到较大的空间限制，并且因为悬挂式单轨独特的运行方式——转向架在车体上方，使其面临着轻量化的问题。

综上所述，针对悬挂式单轨列车，如何设计出一种牵枕缓结构，以便其满足使用性要求的同时，能够优化结构、减轻质量、减少应力集中、增加使用寿命成为了行业内亟待解决的技术难题。

1 牵枕缓结构

现阶段已有的悬挂式单轨车牵枕缓结构形式多样，总体来说都存在着两方面问题：质量控制和连接结构复杂。

牵枕缓的枕梁结构部分采用分体式，部分采用箱型焊接结构。分体式结构的不足之处在于其两部分的平面度不好控制，且安装定位存在难度；箱型焊接结构的不足则是因为其结构体积较大，质量难以控制。

牵枕缓的悬吊结构部分采用螺栓连接，部分采用焊接连接。螺栓连接抗剪能力较弱，螺栓磨损后密封性难以保证；焊接连接是将悬吊结构的连接件直接和车体焊接，车体的安全性完全依靠焊缝的质量，可以满足安全性要求，但是安全冗余度不足。

根据前述牵枕缓结构的不足及悬挂式单轨列车实际运用工况要求，本文提出一种新型的用于悬挂式单轨列车的铝合金牵枕缓结构，缓冲梁前端与牵引梁、车钩安装座板焊接，后端与枕梁焊接，如图1所示。

图1 牵枕缓结构

1.1 牵引梁

车钩安装座板为铝合金板，中部设有螺栓孔及沉台，使车钩安装座板与车钩螺栓连接，车钩安装座板开设螺栓孔处沉台尺寸与车钩安装结构相匹配。牵引梁与车顶上端梁为一体式结构，采用铝合金挤压型材，并在两端下方开连接口与车体纵梁焊接固连。此上端梁结构简单，整体刚性好，利于承受纵向力。

1.2 缓冲梁

常规缓冲梁结构均为板材拼焊，针对单轨列车缓冲梁结构尺寸限制，采用传统结构经仿真计算在上盖板和侧立板接缝处出现应力集中和疲劳强度不满足要求。针对此情况该结构采用上盖板为折弯型材的新型缓冲梁结构，结构如图2所示。此结构缓冲梁上盖板为型材，通过缓冲梁侧立板与下盖板焊接固连，形成缓冲梁主体。经过仿真计算，在不改变缓冲梁外形的情况下，通过改变板材型材形状，将焊缝下移，解决了结构薄弱部分应力过于集中和焊缝处易产生疲劳裂纹的问题，工艺可行。

图2 牵枕缓结构分解图

缓冲梁在缓冲梁上盖板型材靠近车钩座板处开操作孔以便进行螺母紧固操作，在缓冲梁立板靠近牵引梁处开孔排水，并在缓冲梁内部，牵引梁右上方焊接缓冲梁防水板。

1.3 枕梁

枕梁由2块型材拼焊后整体加工而成，其上预留有牵引拉杆座安装口、悬吊架安装座5安装口。枕梁两端下方通过预留安装口与车体纵梁焊接固连。此枕梁结构质量轻、焊缝少、结构强度高、安装平面的平面度易于保证、安装精度高。

1.4 安装座

安装座主要由悬吊架安装座5、牵引拉杆座6、安全钢索座7和横向止挡座8组成。

悬吊架安装座为锻造件，断面为梯形上小下大，安装时从枕梁型材下穿并在枕梁上下平面结合处施坡口焊。吊架安装座强度高，安装结构可行。牵引拉杆座为锻造件，整体呈倒F形，焊接固连于牵引梁与枕梁之间。安全钢索座为锻造件，焊接固连在枕梁上平面。横向止挡座为锻造件，整体呈T形，焊接固连在枕梁两端。

1.5 转向架连接

牵枕缓结构通过连接销将枕梁上悬吊架安装座与转向架上吊架连接在一起，连接销与悬吊架安装座为过渡配合，与吊架为间隙配合。在悬吊架安装座旁焊接螺栓座9，用螺栓下穿并顶在连接销上以此固定连接销。此结构实现了吊架与车体通过安装销刚性连接，结构稳固，工艺可行。

2 仿真计算

根据EN12663-1:2010标准及悬挂式轨道车辆的运行特点，对悬挂式单轨铝合金车体进行静强度有限元仿真分析。在建立计算模型的过程中，严格根据车体结构和焊接连接接口结构，对不同的焊缝进行区分考核，车体结构的型材采用壳单元进行离散，吊挂安装座等铸件采用实体单元进行离散。

结构材料在静态分析的验收标准如下：1）没有永久变形。2）安全系数为1.15，对将要进行试验验证的工况系数可取1.0；但对组合载荷（AW3）及所有拉伸压缩工况，其应力不应超过材料的屈服应力。牵枕缓结构中各部位所使用的材料及其对应的屈服强度和许用应力如表1所示。

表1 牵枕缓结构所用材料及其屈服强度

在整车仿真计算所有静强度工况中牵枕缓结构仅在AW3状态200 kN拉伸、200 kN压缩2个工况中出现最大应力点，应力云图如图3、图4所示，应力值均小于相应材料的屈服强度，以及相应工况对应的安全系数，如表2所示。

图3 AW3状态200 kN拉伸工况车体结构应力云图

图4 AW3状态200 kN压缩工况车体结构应力云图

表2 静强度分析结果

根据仿真分析结果，牵枕缓结构强度满足EN12663-1:201标准和总体技术要求。在后续的样件试制过程中结构工艺性也得到验证，轻量化优势明显，样件如图5所示。

图5 牵枕缓结构

3 结语

本文针对悬挂式单轨列车牵枕缓结构的技术需求和结构要求研究一种新型的牵枕缓结构。创新性地提出车体前端梁和牵引梁一体式结构、缓冲梁折弯型材和板材拼焊结构及新形式的安装座设计，在满足车辆设计要求的同时，优化结构，减轻质量，提高了制造工艺性。