单轨车辆转向架构架关键位置等效载荷研究

胡凤龙，吴兴文，梁树林，余新美

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

目前，针对山地、旅游景区等复杂轨道交通运营环境的山地单轨车辆具有制造成本低以及适应山地小曲线、大坡道、运行低噪声等优点。转向架构架是山地单轨车辆系统上一个至关重要的承载部件，疲劳破坏是其主要的失效形式，故抗疲劳强度设计是转向架的设计重点[1-4]。目前，国内外对于转向架构架强度校核及疲劳寿命评估的研究大多为基于EN13749、UIC 515-4、UIC 615-4、JIS E4207、JIS E4208等铁道车辆转向架标准。因为山地单轨车辆转向架的设计结构与铁道车辆转向架不同，因此不能直接参照铁道车辆转向架构架强度试验标准。因此需要对山地单轨车辆转向架构架载荷重新定义，所以需要总结地单轨车辆转向架构架关键位置等效载荷的变化规律[5-9]。本文基于一种新设计的山地单轨车辆，通过动力学分析软件UM建立山地单轨车辆动力学仿真模型，结合雨流计数法，总结了山地单轨车辆转向架构架关键位置在不同曲线半径下等效载荷的变化规律。

1 山地单轨车辆动力学模型研究

单轨车辆系统庞杂，建立单轨车辆动力学模型时，根据山地单轨车辆结构和转向架参数，参考山地单轨车辆转向架三维模型，动力学关键结构部件应尽可能与实际相符，对一些次要部件可进行合理假设和必要简化。本文基于以下假设建立山地单轨车辆动力学模型：①将车体和前后转向架简化为刚体，即不考虑其弹性变形；②车体、转向架各刚体均在基本平衡位置做小位移振动；③车辆运行过程中走行轮始终保持压地状态，不考虑轨道梁弹性变形[10]。山地单轨车辆转向架三维模型图如图1所示。

图1 山地单轨车辆转向架整体三维结构图

通过对山地单轨车辆实际结构进行必要且合理的抽象与简化，对各部件的连接关系进行等效处理。建立山地单轨车辆转向架动力学拓扑关系。由山地单轨车辆的结构可知，单节车主体部分包含1个车体总成和2个转向架总成。山地单轨车辆通过空气弹簧和横向减振器组成的悬挂系统将车体和前后走行部分别在横向、纵向和垂向连接起来。单轨车辆前后走行部分别通过4个走行轮、4个导向轮和2个稳定轮实现与单轨轨道梁的接触和力的传递。所建立的模型将车体、构架、走行轮、导向轮、稳定轮均视为刚体。将空气弹簧、减振器、牵引橡胶堆、横向止挡、轮胎接触视为力元。由于单轨车辆前后转向架动力学拓扑关系相同，故在这里仅给出一个转向架与车体的动力学拓扑关系图，如图2所示。建立的山地单轨车辆动力学拓扑图中，车体具有6个方向的自由度，包括伸缩、沉浮、横移、侧滚、点头和摇头。转向架跟车体一样,也具有6个方向的自由度。走行轮、导向轮和稳定轮只有1个方向的自由度，即绕着轴的旋转运动。根据简单的计算，可以得出所建立的模型是一个具有38个自由度的单节车模型[12]。

图2 山地单轨车辆动力学关系拓扑图

通过车辆系统拓扑关系图中自由度与受力分析，并结合车辆各零部件尺寸参数，在UM动力学软件中，建立转向架各部件之间的铰接，模拟各力学元件并设置其特征参数。建立转向架动力学模型如图3所示，将建立的转向架动力学模型压缩为一个子系统，命名为1位转向架作为前转向架，复制这个子系统生成2位后转向架与车体相连。完成新型单轨车辆动力学模型的建立，如图4所示。车辆动力学模型主要参数如表1、表2所示。

表1 转向架主要尺寸参数

表2 力学元件模拟主要特性参数

图3 山地单轨转向架动力学模型

图4 山地单轨车辆动力学模型

2 等效载荷计算方法

一般而言，单轨车辆转向架构架的设计服役寿命为30年；当单轨车辆转向架构架满足标准疲劳强度要求时，认为其为无限寿命，目前很多研究也默认其服役寿命为30年。这种等效没有理论依据，也没有经过严密的论证。在本文的研究中遵循这个默认固定，即设计载荷谱代表30年服役寿命。同时，认为30年服役寿命，车辆的运营里程为350万公里[13]。对于一个随机载荷谱，其造成的损伤可以表示为：

式中：1D为应力谱产生的损伤；in为载荷谱对应的第i级循环循环次数；iN为与构架材料疲劳极限对应的第i级循环次数；为各级载荷幅值，N；C和m为S-N曲线的参数，焊缝m取3，母材m取5[14-15]。

设等效载荷幅值为Feq，作N次，结构产生的损伤为：

式中：D为结构产生的损伤；N为等效载荷循环次数1×107；ΔFeq为等效载荷。

如果运行里程为L1的实测应力谱产生的损伤为D1，设产生D的安全运行里程为L，则：

式中：L为安全运行公里数，考虑安全运营30年，取350万公里；L1为实测载荷谱公里数，km。

将式（1）、式（2）代入式（3），得：

由式（4）得：

式中：D'为损伤安全系数，由于不同的疲劳标准在计算等效载荷时，选取的损伤值不同，对应焊接结构损伤值一般取1或者0.5，所以本文计算了两种损伤值下的等效载荷，母材结构损伤值取0.3。

3 基于曲线半径对构架载荷的研究

仿真线路为右曲线，设置5种不同线路曲线半径计算工况，如表3所示，当车辆以相同速度通过时，研究不同线路曲线半径对构架载荷的影响[16,18]。

表3 同一均衡速度下不同曲线半径的轨道参数

3.1 曲线半径对转向架构架垂向载荷的影响

通过仿真计算得到了不同曲线半径工况下转向架构架导向轮、稳定轮、走行轮、垂向减振器、空气弹簧、垂向载荷时域图如图5所示。典型曲线半径下车辆关键位置垂向载荷谱结果如图6所示。典型曲线半径下车辆关键位置垂向等效载荷结果如图7所示。

图5 典型曲线半径下车辆关键位置垂向载荷

图6 典型曲线半径下车辆关键位置垂向载荷谱

图7 不同曲线半径下车辆关键位置垂向等效载荷

结果表明：随着曲线半径的增大，车辆从欠超高到过超高，为了平衡离心力，转向架的侧滚角从左往右变化，所以，右侧导向轮的预紧力在减小，即右侧导向轮的垂向等效载荷在减小。左侧导向轮的预紧力在增大，即左侧导向轮垂向等效载荷在增大。由转向架侧滚角变化的趋势，得出稳定轮的垂向等效载荷的变化趋势与导向轮正好相反。随着曲线半径的增大，转向架的侧滚角从左往右变化，右侧空气弹簧垂向等效载荷增大，左侧空气弹簧垂向等效载荷减小。左右两侧垂向减振器等效载荷随着曲线半径的增大而减小，但是变化范围很小；右侧走行轮因为转向架的侧滚角从左往右变化，右侧走行轮垂向力在变大，即右侧走行轮垂向载荷在变大，但是变化范围很小。在曲线半径变化的过程中，垂向减振器和右侧走行轮的垂向等效载荷变化范围较小，所以曲线半径变化对垂向减振器和右侧走行轮的垂向等效载荷荷影响不大。

3.2 曲线半径对转向架构架纵向载荷、横垂向载荷的影响

通过同样的研究方法可以得到曲线半径对转向架构架纵向载荷和横向载荷的的影响，并得到构架关键位置纵向、横向等效载荷的变化规律。

转向架构架纵向等效载荷的变化规律为：导向轮、稳定轮、走行轮等车辆关键位置纵向载荷主要是由车辆在线路x方向上产生的纵向摩擦力。随着曲线半径的增大，车辆从欠超高到过超高，为了平衡离心力，转向架的侧滚角从左往右变化，所以，右侧导向轮的预紧力在减小，从而导致右侧导向轮的纵向等效载荷在减小；左侧导向轮的预紧力在增大，导致左侧导向轮纵向等效载荷在增大；由转向架侧滚角变化的趋势，得出稳定轮的纵向等效载荷的变化趋势与导向轮正好相反；右侧走行轮因为转向架的侧滚角从左往右变化，右侧走行轮垂向载荷在变大，导致右侧走行轮纵向载荷在变大；在曲线半径变化的过程中，导向轮和稳定轮的纵向等效载荷变化范围较小，所以曲线半径变化对导向轮和稳定轮纵向等效载荷影响不大。

转向架构架横向等效载荷的变化规律为：导向轮、稳定轮、走行轮等车辆关键位置横向载荷主要是由车辆在线路上横移产生的横向摩擦力，空气弹簧横向载荷是由车体和转向架之间的横向位移造成的。随着曲线半径的增大，车辆从欠超高到过超高，为了平衡离心力，转向架的侧滚角从左往右变化，所以，右侧导向轮的预紧力在减小，从而导致右侧导向轮的横向等效载荷在减小；左侧导向轮的预紧力在增大，导致左侧导向轮横向等效载荷在增大；由转向架侧滚角变化的趋势，得出稳定轮的横向等效载荷的变化趋势与导向轮正好相反；在曲线半径增大的过程中，空气弹簧的扭转角在减小，空簧扭转角减小的影响远远大于转向架侧滚角变化的影响，所以左右两侧空气弹簧横向等效载荷随着半径的增大而减小；横向减振器等效载荷随着曲线半径的增大而减小，但是变化范围很小；随着曲线半径的增大，走行轮的横向位移在减小，对走行轮横向载荷的影响大于转向架侧滚角变化的影响，所以右侧走行轮的横向等效载随着半径的增大而减小；在曲线半径变化的过程中，车辆关键位置（空气弹簧除外）的横向等效载荷变化范围较小，所以曲线半径变化对除空簧外的转向架关键位置横向载荷影响不大。空气弹簧扭转角随半径的变化比较明显，所以空气弹簧横向等效载荷的变化非常明显。

4 结论

通过动力学仿真分析可知，曲线半径的变化对山地单轨车辆转向架构架关键位置等效载荷的变化有一定的影响。

等效载荷变化规律为：

（1）随着曲线半径的增加，右侧导向轮纵、横、垂三个方向的等效载荷在增大，左侧导向轮纵、横、垂三个方向的等效载荷在减小，稳定轮的变化趋势和导向轮相反；

（2）随着曲线半径的增加，右侧走行轮纵向、垂向等效载荷在增大，横向等效载荷在减小；

（3）随着曲线半径的增加，空气弹簧的横向等效载荷在减小，右侧空簧垂向等效载荷在增大，左侧空簧垂向等效载荷在减小；横向减振器和垂向减振器等效载荷在减小，但是变化范围非常小。