低地板转向架铝合金轴桥结构及强度分析①

姚 杰

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海201804)

0 引言

作为低地板转向架结构的新趋势，一级悬挂低地板转向架已被国外企业所采纳和使用.该类转向架只有一级悬挂，相较于传统转向架在高度上能提供更大的降低空间，车间悬挂位于轴箱位置，与传统低地板转向架相比有更佳的点头及摇头稳定性，因而应用于速度较低的低地板列车上有一定优势.但一级悬挂也不可避免的带来一个问题:绝大部分装置将直接安装于转向架上，造成簧下质量过大.因此一级悬挂低地板转向架需要采用轻量化设计才能缓解或避免簧下重量过大的弊端.轴桥作为低地板转向架重要部分，一级悬挂轴桥与传统低地板轴桥有所不同，国内也缺少对该类轴桥的研究.因此设计一种应用于该种转向架的铝合金轴桥，并依据UIC615－4标准对轴桥进行静强度及疲劳强度校核.

1 结构与设计选择

1.1 材料与加工

采用铝合金材料是轻量化设计的普遍选材，以铝合金替代传统铸钢、铸铁件，保证部件强度韧性同时减轻重量.铝合金锻件的优点，即为内部组织细密、均匀、无缺陷，其可靠性高于铝合金铸件.铝合金锻件还具有良好的耐腐蚀性、导热性和非磁性，这些都是传统铸钢件所无法比拟的.锻造方式采用尺寸较易控制的模锻工艺，由于锻铝材料不宜采用焊接及攻丝处理，因此整个轴桥的联接方式采用对穿孔螺栓方式联接.

1.2 结构特点

模锻铝方式无法采用铸件的空腔结构，宜与其他部件采用对穿孔螺栓联接，因此锻铝轴桥在结构上与传统铸钢轴桥有较多不同.结构设计中考虑到锻造特点，所有转角部位均设计为圆角形式，以减少锐角效应和应力集中现象，提高承载能力.在尺寸变化较大部位采用钝角斜面配合大圆角的组合设计，保证锻造中的金属流动性，弯轴底部采用倒梯形设计，便于退模.

图1 锻铝轴桥示意图

表1 2014－T6铝合金力学性能参数

1.3 材料特点

锻铝材料采用2014铝合金，2014合金是锻铝中的典型合金，该铝合金的特点是强度高、有较好的热塑性、能承受较高应力.该材料为轻质高强度材料，用于高负荷结构件，其T6状态具有较好的强度和韧性，而质量较钢大大降低.

图2 疲劳强度测点示意图

图3 超常载荷工况1

图4 超常载荷工况2

图5 超常载荷工况4

2 载荷及工况确定

2.1 超常静载荷工况

超常载荷主要考虑垂向载荷、垂向脱轨载荷、横向载荷及纵向冲击载荷，参考UIC615－4得到工况组合表(见表2)及各载荷施加位置，根据螺栓联接特性及载荷方向，确定载荷具体位置.

表2 超常载荷工况组合表

由于结构对称性，改变横向载荷方向不会对结构分析结果有影响.但纵向载荷方向变化对轴桥强度有较大的影响.取产生最大应力方向为纵向载荷施加方向，故纵向载荷方向为使纵梁连接座受拉伸作用.因此实际计算过程只需考虑1，2，4这三种载荷工况，简化计算分析过程.

图6 材料的Goodman Smith图及疲劳分析结果

2.2 运营疲劳载荷工况

主要运营载荷分为:垂向载荷及横向载荷，于纵向梁连接座的牵引载荷，位置与超常载荷相同.由于低地板列车的自身特点，低地板列车轨道建于普通公路，在轨道线路方面特别是曲线方面与传统轨道线路有所不同，即在通过曲线时不存在超高工况，因此线路扭曲载荷不作为主要运营载荷.

根据轴桥的结构特点，选择应力较大及易发生疲劳裂纹的7个点为疲劳强度评估测点(见图2).

3 强度校核

利用Hypermesh与ANSYS软件对轴桥进行强度分析校核，从理论上观察了解该轴桥在各载荷工况下的应力分布情况.处理时简化轴桥结构，移除小半径圆角过渡改为直角，分析结果不会与实际情况产生较大误差.

3.1 静强度分析

由超常载荷分析结果(见图3，4，5)不难发现，轴桥超常载荷最大von Mises应力出现在轴端凸台上侧附近，即轴承安装约束位置，最大von Mises应力为139.659MPa，小于铝合金2014－T6的屈服极限.分析结果表明，轴桥在超常载荷作用下不会出现屈服变形，满足工作需要.

3.2 疲劳载荷分析

采用Goodman疲劳强度曲线图法评估构架的疲劳强度.该方法的评定原则是构架上各节点的应力幅和平均应力在线图的规定范围内.

应力幅:

平均应力:

疲劳应力结果计算方法:各载荷单独施加于轴桥，记录轴桥各测点与该载荷相对应力，采用合成叠加方式计算各测点全工况下最大应力及最小应力.根据实际分析需要，对轴桥分别施加4种载荷:垂向静载荷、1.3倍垂向静载荷、横向载荷及纵向牵引载荷，输出各测点应力.

叠加原则依据为:1)各载荷最大值同时发生，则最大疲劳为测点应力线性相加;2)各载荷最大值随机产生无必然联系，则最大疲劳应力为测点应力的平方和开方:

最大载荷同时产生:

最大载荷随机产生:

以上两种叠加方式中，第一种线性方式较第二种所得出疲劳应力数值更大分析结果也更为恶劣.考虑到结构的疲劳安全性，故使用第一种方式进行叠加，虽然应力计算结果较实际情况有放大，但更能证明结构的可靠性.

结合各测点应力，计算出最大最小应力(见表3)，绘制测点与材料的Goodman－Smith疲劳分析结果图(见图6).

表3 各测点应力

由结果可知，各测点应力结果均在 Goodman－Smith疲劳极限范围之内，表明该轴桥满足疲劳强度要求.

4 结束语

参考UIC615－4标准，利用ANSYS有限元软件对一系悬挂低地板转向架轴桥进行计算校核，对轴桥静强度、疲劳强度进行分析.分析结果表明轴桥的结构满足各强度要求，结构、选材比较合理，能够满足列车的使用及运行要求.

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