一种励板轻轨车辆用弹住车轮的设计研究与仿真分析

2018-05-14周勤刘晖霞李鸿浩

工业设计 2018年5期

关键词：仿真分析计算强度

周勤刘晖霞李鸿浩

摘要：本文介绍了一种低地板轻轨车辆用弹性车轮的研究与仿真分析，通过ANSYS软件，采用有限元分析方法对该弹性车轮进行了强度仿真分析计算，主要对轮箍、轮心、压环的静强度和疲劳强度进行了仿真分析。

关键词：弹性车轮;设计;仿真分析;强度;计算

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018）05-0139-02

低地板轻轨车辆的地板面高度通常为350mm （高地板为900?1000mm），需要降低地板高度来适应低地板的要求。降低地板高度的障碍不是车轮而是车轴，因此低地板车辆不能用常规车轴及轮对，必须把车轴做成下凹的U形，以降低中间通道的地板高度，在U形车轴两端的短轴上装独立回转的车轮组成轮对，运行时车轴不转动，两车轮可以以不同的转速转动，这种结构称为独立车轮。在低地板轻轨车辆中独立车轮一般采用弹性车轮，弹性车轮是转向架的关键部件，直接影响车辆的使用，必须保证弹性车轮在运行过程中安全、可靠，因此需对弹性车轮进行仿真分析、强度计算校核。

1 弹性车轮的结构

弹性车轮的弹性元件多为橡胶件，按橡胶承载方式的不同可分为压缩型、剪切型和压剪复合型三种类型，在该低地板轻轨车辆中，弹性车轮采用压剪复合式结构。

弹性车轮主要由轮箍、轮心、压环、接地连接线等组成，该低地板车辆用动车及拖车弹性车轮结构如下图1所示。弹性车轮利用橡胶来吸收高频振动、缓和冲击，降低噪声并改善轮轨的摩擦。通过在轮箍、轮心间嵌入橡胶，能有效的减少轮对的簧下质量，降低轮轨间的垂向冲击加速度;通过橡胶的弹性变形，使车辆通过曲线和道岔时轮缘和钢轨的摩擦力大大降低，改善轮缘的磨耗。

1.1 轮箍

在车辆运行中，与轨道直接接触的是弹性车轮轮箍，参考国内外弹性车轮的成功应用经验，考虑轮轨硬度匹配，即轨轮硬度比值为0.96?1.06和0.99?1.10等综合因素，轮箍材料选择UIC810-1V中的B6T，其机械性能参数见表1。

1.2 轮心

整体辗钢车轮中比较常用的材料是EN 13262中的ER8、ER9等，标准中规定ER9材质的车轮，辐板上的屈服强度应至少比轮辋的屈服强度少130MPa。弹性车轮的轮箍相当于整体轮的轮辋，轮心相当于整体轮的辐板和轮毂，前面所选材料B6T的机械性能等同于ER9，因此，根据辐板屈服强度应至少比轮辋少130MPa这一原则，在该项目中轮芯材质可选用GB-T699中的C45+QT，其机械性能参数见表2。

1.3 压环

压环可选择机械性能略高于轮芯的材质。在该项目中，压环的材质选用EN 10083-3中的25CrMo4+QT，其机械性能参数见表3。

2 弹性车轮的强度仿真分析

2.1 弹性车轮有限元模型

弹性车轮的有限元模型如图2所示，轮箍、轮心、橡胶件及压环均采用四面体网格单元。由于无橡胶件的具体参数，因此实际计算时根据车轮进行静强度试验时得到的刚度按线性材料刚度进行近似处理。

2.2 弹性车轮计算工况

本次计算主要依据UIC510-5《整体车轮的技术检验》和EN13979中的载荷分配方法进行计算，分为在平直轨道上行驶、在曲线轨道上行驶和通过道岔三种工况进行计算。各工况下载荷作用如图3所示。

其中：Q：车轮每一车轮作用在钢轨上的质量载荷（KN）;Fz：垂向作用力（kN）;Fy：每个车轮的横向作用力（kN）;

工况1：（在平直道上行驶）L₁=57mm，F_z1=1.25Q。

工况2：（在曲线上行驶）L₂=25mm，F_z2=1.25， F_y2=0.7Q。

工况3：（通过道岔） L₃=92mm，F_Z3=1.25Q，F_y3=0.42Q。

2.3 弹性车轮强度评估

2.3.1 车轮静强度评定

参照标准“UIC510-5”，车轮静强度评定标准为：车轮上各点应力不超过材料的弹性极限。轮箍材料暂定为B6T，其弹性极限为580Mpa ;轮心材料选用C45+QT，其弹性极限为415Mpa （GB/699）;压环材料选用25OMo4+QT，其弹性极限为 450Mpa。

2.3.2 疲劳强度评定

标准prEN13979-1规定了应力的确定方法，该方法认为车轮在运行中，各点为非对称循环，其破坏型式由最大主应力方向的应力造成。由此，通过模型节点的应力分布信息，确定每个节点在不同载荷工况作用下的最大主应力和和最小主应力值。按下式计算平均应力、应力幅和极限应力。计算出的极限应力Act范围应当低于允许应力。

平均应力：

;应力幅值：

;极限应力：

3 计算结果

3.1 车轮静强度

3.1.1 拖车弹性车轮静强度

直线、曲线和道岔三种工况下拖车轮心的von_Mises应力云图，最大应力分别为187MPa、236MPa、200MPa;拖车压环的von_Mises应力云图，最大应力分别为270MPa、268MPa、281MPa;拖车轮箍的von_Mises应力云图（除载荷加载区域外，三种工况下的von_Mises应力均未超过材料的许用应力415MPa）。

由计算可知，在直线、曲线和道岔三种工况下拖车弹性车轮各部件的最大von_Mises应力均未超过材料的许用应力，因此，拖车车轮各部件静强度均满足要求。

3.1.2 动车弹性车轮静强度

直线、曲线和道岔三种工况下动车轮心的von_Mises应力云图，最大应力分别为185MPa、230MPa、242MPa;动车压环的von_Mises应力云图，最大应力分别为264MPa、265MPa、262MPa ;动车轮箍的von_Mises应力云图。

由计算可知，在三种工况下动车弹性车轮各部件的最大von_Mises应力均未超过材料的许用应力。因此，动车车轮各部件静强度均满足要求。

3.2 车轮疲劳强度

由于轮箍厚度在运行过程中始终在變化且一般对于车轮疲劳强度的校核一般不包含轮毂部分。因此对弹性车轮部件的疲劳强度的核算只包含压环和轮心。

将拖车和动车车轮轮心、压环上各节点的应力幅和平均应力绘入Goodman疲劳曲线内如图4所示，拖车和动车车轮轮心、压环上各节点均落在Goodman疲劳曲线内，因此可知，拖车和动车车轮轮心、压环满足疲劳强度要求。

4 结语

本文根据UIC510-5《整体车轮的技术检验》和EN13979中的载荷分配方法确定了弹性车轮轮毂、轮心及压环的直线、曲线和道岔三种计算工况，通过ANSYS仿真分析，对动车及拖车弹性车轮轮毂、轮心及压环进行了强度计算，满足低地板轻轨车辆运用要求。

参考文献

[1]史和平，郭立君，城市轨道车辆弹性车轮研究[J].城市公共交通，2000 （3）：25-27.

[2]郑剑云，压剪复合型橡胶弹性车轮有限元分析[J].机车车辆工艺，2007 （5）：1-4.