跨坐式单轨车辆走行轮车轴有限元分析与研究

杜子学，张智栋

(重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074)



跨坐式单轨车辆走行轮车轴有限元分析与研究

杜子学，张智栋

(重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074)

摘要：走行轮车轴是跨座式单轨交通车辆转向架的重要部件，其强度和刚度关系车辆的行车安全。利用有限元分析方法，建立车轴有限元模型，通过求解器进行车轴承载情况下的有限元计算。分析4种不同工况下走行轮车轴的强度和刚度，得到走行轮车轴的应力、应变云图，为跨座式单轨走行轮车轴再优化提供依据。

关键词：跨座式单轨；车轴；强度；刚度；有限元分析

0引言

城市轨道交通已经成为我国城市交通发展的主流，在城市轨道交通系统中，跨坐式单轨是一种典型的制式。

车辆走行轮车轴是跨坐式单轨车辆的关键承载部件，其性能与车辆运行的安全性、可靠性和舒适性直接相关。车轴在运行过程中受载状态比较复杂，它不仅承受垂向载荷，而且还承受牵引力、制动力、侧向力以及坡道阻力。为确保车辆的行车安全性能，车轴必须具有足够的强度和刚度。

文中对跨坐式单轨车辆运行时的各个工况进行了计算，并基于Hyperworks对车轴的结构强度进行了有限元分析。

1车轴的结构简述及结构参数

单轨列车走行系统类似汽车行驶系统，相当于汽车驱动桥。减速器输出的扭矩通过驱动轴传递给轮芯，轮芯通过楔块的摩擦力矩将扭矩传递到车轮从而驱动列车行驶。在单轨列车走行系统中充分利用了摩擦原理，楔块起到了关键的“桥梁”作用。

走行轮空心车轴悬臂压入、固定在构架上，轮芯通过圆锥滚子轴承安装在车轴上，内部充填润滑脂，轮芯内侧通过后盖、油封和热装在车轴上的防尘圈密封；轮芯外侧通过楔形块将轮辋紧固在轮芯上；通过边环、锁环将走行轮胎固定在轮辋外面；轮芯外侧还安装有驱动轴，驱动轴穿过空心车轴，驱动轴另一端的花键插入齿轮减速箱从动齿轮的花键孔中，传递牵引力矩。两轴承之间设有轴承间隔套，调整该间隔套的尺寸保证轴承轴向间隙。其中，车轴材料为LZ50钢。车轴结构示意图见图1。

跨坐式单轨车辆运行时受到不同工况的载荷，在计算各工况时需要用到的车辆的相关参数如表1所示。

2有限元模型的建立

建立跨坐式单轨走行轮车轴的三维模型，采用三维六面体单元对车轴进行离散；车轴承受垂向载荷及纵向载荷；进行仿真分析时，在车轴与轴座的配合部位约束其6个方向的自由度；车轴通过轴承支撑起车轮，为使仿真结果更加真实，在轴承与车轴结合处的单元(椭圆圈住的区域)施加余弦力时，受力的角度范围为120°(如图2所示)；车轴的材料为LZ50钢，弹性模量为2.09 MPa，泊松比为0.28，材料的屈服强度为960 MPa。

3载荷工况

跨坐式单轨在结构设计和校核方面还没有相应的国家标准，文中参照TBT 1335-1996《铁道车辆强度设计及鉴定规范》、TBT 2705-1996《车辆车轴设计与强度计算方法》等标准确定走行轮车轴的有限元分析方法。根据跨坐式单轨结构的特点，文中主要考虑4种工况下车轴的有限元分析。

工况一：垂向动载荷；

工况二：平道制动工况；

工况三：牵引工况；

工况四：43 km/h过弯道工况。

3.1工况一：垂向动载荷

转向架车轴承载静载荷主要是单轨车辆自身重力，而车轴承受的动载荷简化的计算方式为静载荷与动载系数的乘积，按下式计算：

FS=KD×F0=172 480 N

式中：FS为车轴动载荷；

F0为车轴承受的静载荷；

KD为动载系数，单轨车辆一般取1.2～1.6。

3.2工况二：平道制动工况

单轨车辆的制动工况是最常见的工况之一，参考相关标准，计算与分析车辆在平道制动的情况；单轨车辆最大制动加速度的设计标定为-1.25 m/s2。该工况下车轴在平道受力为垂向载荷和纵向载荷(制动力的反力)的合力，其中垂向载荷为107 800 N，纵向载荷为13 750 N。

3.3工况三：牵引工况

该工况下单轨车辆车轴受到来自车辆质量的垂向载荷和加速时地面反力的纵向载荷，两者共同作用于车轴。其中垂向载荷为107 800 N，纵向载荷为10 670 N。

3.4工况四：43 km/h过弯道工况

单轨车辆以43 km/h过半径为100 m弯道时，两个走行轮受到来自地面的侧向力和垂向力，受力简图如图3所示；该工况下受力等效为在车轴轴承处施加垂向力、侧向力和逆时针的弯矩。该弯矩表现为在右侧轴承处施加向上的力Fn,同时在左侧轴承处施加向下的力Fn，两力大小相等，方向相反，具体计算如下：

Fx1×r+Fx2×r=Fn×l1+Fn×l2

式中：r为走行轮半径；

l1为右侧轴承中心处到弯矩中心处距离；

l2为左侧轴承中心处到弯矩中心处距离。

4车轴计算结果

在构建走行轮车轴有限元模型后，按照4种工况对外轮辋施加载荷，进行强度分析计算，得到轮辋的应力与应变分布云图。

4.1工况一：动载荷

按照动载荷工况下的载荷和边界条件，对车轴进行强度计算分析。车轴应力、变形分布云图如图4所示。

4.2工况二：平道制动工况

按照平道制动工况下的载荷和边界条件，对车轴进行强度计算分析。车轴应力、变形分布云图如图5所示。

4.3工况三：牵引工况

按照牵引工况下的载荷和边界条件，对车轴进行强度计算分析。车轴应力、变形分布云图如图6所示。

4.4工况四：43 km/h过弯道工况

按照43 km/h过弯道工况下的载荷和边界条件，对车轴进行强度计算分析。车轴应力、变形分布云图如图7所示。

5结论

跨坐式单轨车辆走行轮车轴的较大变形主要集中在车轴悬臂端，车轴各工况下最大变形量为1.637 mm，此变形量相对于走行轮的机构来说较小，刚度满足设计要求。车轴的较大应力主要集中车轴压入的根部。车轴各工况下最大应力为317.2 MPa，远小于车轴LZ50钢材料的屈服强度960 MPa，具有足够的安全系数，强度满足设计要求。

参考文献:

【1】仲建华，杜子学，何希和.跨坐式单轨交通车辆道岔结构及分析[M].北京：人民交通出版社，2013.

【2】陈喆，王伟.汽车车桥结构有限元分析[J].机械，2012,39(12):33-37.

【3】米彩盈,李芾.高速动力车车轴强度分析的工程方法[J].铁道学报，2002,24(2):26-29.

【4】王丽英,彭忠义.LZ50车轴钢低周疲劳性能研究[J].实验室研究与探索， 2007(11):40-43.

【5】田合强,高福来.高速列车车轴强度计算方法对比分析[J].中国铁道科学，2009,30(2)：99-101.

Finite Element Analysis for the Wheel Axle of Straddle-type Monorail

DU Zixue，ZHANG Zhidong

(School of Mechanotronics & Vehicle Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

Keywords:Straddle-type monorail; Wheel axle; Strength; Stiffness; Finite element analysis

Abstract:Wheel axle is an important component of straddle-type monorail vehicle bogie, and its strength and stiffness affect the automobile safety.The finite element model of the wheel axle was established, and the load distribution of the axle was simulated numerically by the finite element analysis method. Then, the wheel axle stress and strain were obtained by the analysis of the strength and stiffness of the wheel axle in four cases. It provides basis for optimizing the wheel axle of straddle-type monorail.

收稿日期：2016-01-21

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475062)

作者简介：杜子学 (1962—)，男，博士，教授，研究方向为现代车辆设计方法与理论和载运工具运行品质、交通安全。 通信作者：张智栋,E-mail:877876088@qq.com。

中图分类号:U463.32

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)04-001-04