有轨电车铰接装置的结构及有限元分析*

许　敏，　吴学政，　曾潞洋

上海阿尔斯通交通设备有限公司　上海　200245



有轨电车铰接装置的结构及有限元分析*

许敏，吴学政，曾潞洋

上海阿尔斯通交通设备有限公司上海200245

介绍了有轨电车铰接装置的分类、技术参数与结构特点，并采用有限元技术对其结构强度进行验证。

有轨电车； 铰接装置； 结构； 强度

目前，国内外有轨电车每列车有3模块、5模块、7模块等类型[1-2]，本文以5模块列车为例进行分析。如图1所示，M1、M2为带司机室的动车模块，C1、C2为悬浮模块，NP为带受电弓的拖车模块，各模块之间通过铰接装置连接。铰接装置由固定铰、转向铰、自由铰和车顶缓冲器组成，其中固定铰4个、转向铰3个、自由铰1个、车顶缓冲器3个。

图1　5模块有轨电车示意简图

1　铰接装置的分类

如前所述，有轨电车铰接装置用于模块件的连接和承载。按照功能的不同，可分为处理水平曲线的H型铰接和处理水平及竖直曲线的HV型铰接。

1.1H型铰接

按照在车辆中安装位置的不同，H型铰接又可分为固定铰和转向铰。固定铰(图2)安装位置较低，也称A型铰链。转向铰(图3)安装位置较高，也称B型铰链。与H型铰接配套，在模块连接的上部设置车顶缓冲器，用于调节模块之间的缓冲。

图2　固定铰

1.2HV型铰接

自由铰(图4)为HV型铰接，设置在车辆模块连接部位的上部，用于竖直和水平旋转，又称为C型铰链。

图3　转向铰

图4　自由铰

2　主要技术参数

2.1基本参数

有轨电车铰接装置的基本参数如表1所示。

表1　有轨电车铰接装置的基本参数

2.2固定铰参数

车辆通过曲线时的转角范围为±38°，车辆通过竖曲线时的极限转角为±6.5°，车辆通过竖曲线时的名义转角为±3.7°。

强度要求： 纵向压缩时为600kN，纵向拉伸时为400kN，横向为100kN，竖向为100kN。

铰接本身的最大噪声在有轨电车所有车速和运行模式下不得高于60dB(A)。此外，按照《ISO 9227—2012人造环境中的腐蚀试验盐雾试验》，铰接必须经受1000h试验，无腐蚀产生。

2.3转向铰参数

在接点确定的条件下，允许以调节长度的方式调节转向铰尺寸。此外，转向铰水平方向旋转角为30°，竖直方向旋转角为0°。

强度要求： 纵向为+120kN/-81kN，横向为±46kN，竖向为0。

2.4自由铰参数

自由铰在准静态水平面内与车体的位移和系统质量兼容，且横向尺寸可调。自由铰水平方向旋转角为30°，竖直方向旋转角为4°。

强度要求： 纵向为0，横向为±25kN，竖向为0。

2.5车顶缓冲器参数

车顶缓冲器压力设定为4000(1±10%) N，最大作用力为7800N，最小作用力为6000N，减振系数为106Ns/m，连接刚度大于106N/m。

运行时活关节上减振器的摇摆要求： 当有轨电车通过曲线时，减振器在其活关节上移动+17°；当有轨电车通过凸起和凹陷处时，减振器在其活关节上移动+3°；当车体倾斜度有变化时(轨道超高)，减振器在其活关节上倾斜+1°；当有轨电车在坡道上时，减振器相对其初始水平位置倾斜±70%。

3　铰接装置的具体结构和主要功能

3.1固定铰

固定铰可限制3个方向的平动，使两侧能绕3个方向相互旋转，传递竖向力及大部分纵向力与横向力。固定铰的具体结构如图5所示。

图5　固定铰具体结构

固定铰由两个高强度碳钢铸件和一个球形轴承组成，作为车辆模块间的连接装置和受力单元，其强度能够满足车体相邻模块对其施加的受力要求。固定铰截面如图6所示。

图6　固定铰截面

固定铰主要功能： ① 支撑悬浮模块[3]的垂直荷载；② 传递由牵引或制动导致的纵向加速度；③ 可进行水平和竖直面上的旋转运动；④ 能够满足各种车架工况的要求；⑤ 当车辆出轨时，能满足复轨要求；⑥ 当车辆受到剧烈冲击时，能保证车辆之间的安全连接；⑦ 可使车辆吊起用于各种维护作业；⑧ 保证在整个使用寿命中，车辆运行不产生噪声污染。

3.2转向铰

转向铰能够和固定铰共同作用，使相邻模块间只能绕着由固定铰轴承和转向铰轴承两个中心构成的轴线进行水平旋转运动。

转向铰由高强度碳钢铸件和中间的球形轴承构成，位于折棚风挡的上部，安装在车顶的安装座上。转向铰具体结构如图7所示。

图7　转向铰具体结构

转向铰主要功能： ① 能提供两个车体之间的机械连接；② 保证由端部枢轴承带动的互联通道竖直轴旋转与下部铰接一致；③ 可纵向调节，补偿下部铰接接合后车体间的高度差；④ 互联通道连接两个相邻车体，并使其在轨道曲线段运行时仅围绕竖直轴旋转；⑤ 允许加速、制动，也允许一列有轨电车与另一列有轨电车的连挂。

3.3自由铰

为了保证车辆能顺利通过曲线及上下坡道，在车辆悬浮车体和中间车体之间的上铰采用自由铰连接。自由铰不限制相邻车体之间的竖向、纵向平动和三向转动，仅限制横向平动，从而保持相连接车体间相对位置的稳定性。自由铰不承受竖向力和纵向力，仅承受横向力。

自由铰通过两个关节轴承与固定铰的轴承配合作用，能使相邻车体间进行俯仰、滚动等多种运动。自由铰主要由两侧的碳钢铸件、连接管和两个关节轴承组成，具体结构如图8所示。

图8　自由铰具体结构

自由铰主要功能： ① 属于柔性连接，能满足横向平动；② 设有缓冲器，具有缓冲功能；③ 当车辆通过曲线、坡度或出轨时，能够保证竖向稳定性。

3.4车顶缓冲器

车顶缓冲器(图9)用于控制车辆的动力学特性，缓解车体间的纵向、竖向和横向振动，对车体间极端峰值力能够有效削减，对转向架使用寿命的延长、乘客乘坐舒适性的提高都有很大作用。车顶缓冲器主要功能为减少摇摆旋转运动，使有轨电车可以在曲线、凸起和凹陷处运行。

图9　车顶缓冲器

4　有限元计算

利用有限元分析法对铰接安装座进行强度、刚度、模态和稳定性验证。

4.1有限元计算规范

计算主要依据《EN 12663—2010铁路应用设施铁路车辆车体的结构要求》[4]，并参考德国相关标准(VDV 152)。在各工况下铰接安装座的应力均不得大于材料的许用应力[5]，见表2。

表2　铰接安装座主要部位材料的许用应力　MPa

4.2强度计算工况[6]

分别对动车和悬浮车的铰接安装座进行计算，其工况如表3所示。

表3　铰接安装座计算工况

4.3有限元分析

通过有限元计算，铰接及铰接安装座的计算应力均应小于材料的许用应力，并满足EN 12663—2010标准中关于强度的要求。以下是某项目的有限元分析。

(1) 转向铰安装座在静载荷工况下最大应力如图10所示。

图10　转向铰安装座在静载荷工况下的最大应力云图

(2) 缓冲器安装座在静载荷工况下最大应力如图11所示。

图11　缓冲器安装座在静载荷工况下的最大应力云图

(3) 转向铰安装座在疲劳载荷工况下最大应力如图12所示。

图12　转向铰安装座在疲劳载荷工况下的最大应力云图

(4) 缓冲器安装座在疲劳载荷工况下最大应力如图13所示。

图13　缓冲器安装座在疲劳载荷工况下的最大应力云图

5　结论

当前，有轨电车已成为城市交通发展的热点[7-10]。有轨电车车辆模块之间连接通过铰接装置来实现，能够满足车辆之间水平、旋转和俯仰等运动。同时在车顶模块间设置缓冲器，用于控制动力学特性。通过静强度试验验证铰接及铰接安装座的应力小于材料的许用应力，满足标准要求。

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[4] 铁路应用设施铁路车辆车体的结构要求: EN 12663—2010[S].

[5] 牛锡平.100%低地板轻轨车辆车体固定铰强度分析[J].铁道机车车辆，2008，28(6)： 43-46.

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An introduction was gived on classification， technical parameters and structural characteristics of tramcar hinge mechanism and finite element techniques was adopted to validate its structural strength.

Tramcar； Hinge Mechanism； Structure； Strength

*上海市科委科技创新行动计划项目(编号： 15DZ1204303)

2016年1月

许敏(1979—)，男，学士，工程师，主要从事轨道交通行业设计与研发工作，

E-mail： xumindys@163.com

TM925.03;U463.99

A

1674-540X(2016)02-018-05