悬挂式单轨车辆摇枕强度分析

戴鑫亮 王伯铭

(西南交通大学机械工程学院，610031，成都//第一作者，硕士研究生)

摇枕作为悬挂式单轨转向架的重要组成元件之一，是整个转向架的主要承载件。其功能包括传递车体与转向架之间的横向力、纵向力和垂向力，提供二系悬挂元件的安装位置，以及限制车体与转向架的相对摆角等。摇枕可靠性的高低对整车的安全性以及平稳性有较大影响。目前，与悬挂式单轨相关的标准、规范尚未成型，本文以EN 13749、UIC 515标准为基础，结合悬挂式单轨转向架在实际运用过程中的特性，推演出悬挂式单轨转向架摇枕的载荷工况，用于其静强度以及疲劳强度的分析。

1 摇枕有限元模型建立

摇枕整体结构主要由薄板与中心实体部分焊接而成，通过UG软件建立其三维模型(见图1)，将其几何外形导入Hypermesh软件中进行有限元前处理。在建立摇枕有限元模型时采用2D壳单元对摇枕薄板进行划分，对于摇枕中部实体部分采用3D实体单元进行网格划分。整个有限元模型(见图2)共使用S4R单元171 061个，C3D4单元142 632个，Beam单元32个。

图1 摇枕结构三维模型

图2 摇枕有限元模型

2 载荷及边界条件确定

本文根据EN 13749以及UIC 515相关规定，在计算悬挂式单轨转向架摇枕时主要考虑其所承受的横向力、纵向力、垂向力，以及侧风等4项基本载荷，并且加入减振器、抗侧滚扭杆，以及空气弹簧辅助气室内压等附加载荷。计算过程中各个变量的含义如表1所示。

表1 变量含义说明

摇枕整体为对称结构，中部设有可沿x轴旋转的承载销，承载销限定了摇枕沿x、y、z方向的平动，以及沿y、z方向的转动。为限制摇枕沿x方向的转角，摇枕中心上表面设有摇摆止挡。垂向力作用在摇枕上空气弹簧座位置，纵向力作用在牵引拉杆安装座上，而横向力较小时主要作用于空气弹簧，当横向力较大时由空气弹簧和横向止挡共同承担。图3为摇枕边界条件。

注：1——空气弹簧安装座；2——横向止挡；3——牵引拉杆安装座；4——摇摆止挡(安装于中心销上)；5——承载销

3 摇枕工况组合

摇枕的工况组合主要考虑在超常工况下的基本载荷与附加载荷的组合，以及运营工况下的基本载荷与附加载荷的组合。

3.1 基本载荷工况组合

基本载荷工况主要包含摇枕所受横向力、垂向力、纵向力以及侧风。由于需考虑车体因侧滚和沉浮而导致的摇枕两侧空气弹簧受力不一致，所以将垂向力及其对应的横向力进行关联组合。

根据UIC 515-4所规定，基本载荷组合共有12种工况(见表2)。对于超常工况，垂向载荷Fz=Fe，z，横向载荷Fy=Fe，y，纵向载荷Fx=Fe，x，Fw=Fe，w；对于运营工况，Fz=Fn，z，Fy=Fn，y，Fx=Fn，x，Fw=Fn，w。设置纵向载荷Fx在列车起动时为正，在列车制动时为负。

表2 基本载荷工况

3.2 附加载荷工况

附加载荷主要包括抗侧滚扭杆、减振器载荷，以及空气弹簧辅助气室的内压，其组合工况为：工况1=Fa,z+Fa,b+Pa,s，工况2=Fa,t+Fa,z+a,y+Fa,b+Pa,s,工况3=-Fa,t+Fa,z-Fa,y-Fa,b+Pa,s。其中，Fa,t为斜置减振器载荷，Fa,z为垂向减振器载荷，Fa,y为横向减振器载荷，Pa,s为空气弹簧辅助气室内压(超常工况时取值为0.55 MPa，运营工况时取值为0.52 MPa)。

3.3 模拟超常工况

超常工况是指列车在运用过程中可能会出现但出现概率很低的工况，对于超常工况需保证材料所受应力不超过其屈服极限以防止发生永久变形。

本文通过对基本载荷和附加载荷进行组合共得12种工况，表3列出了其中的6种工况。EN 13749静强度试验标准规定，对于地铁、轻轨等轨道交通制式，超常工况通常出现在列车通过曲线和道岔时。由于悬挂式单轨通过道岔的机理与传统的轮轨接触不同，故本文仅考虑列车通过曲线时的超常载荷。

3.4 模拟运营工况

根据EN 13749标准规定，运营工况需考虑列车通过直线、道岔以及曲线时的受力情况，考虑到悬挂式单轨的道岔通过形式与传统轮轨接触不同，所以在本文中仅对曲线和直线工况进行考虑。通过对基本载荷和附加载荷进行组合，本文共得到49种运营工况，表4中列出了其中的12种组合工况。

表3 部分超常载荷工况

表4 部分运营载荷工况

4 计算结果与分析

4.1 静强度计算结果

根据第四强度理论，通过大型有限元计算软件ABAQUS计算分析得，在模拟超常载荷工况下，Top面应力最大值出现在工况10和工况12，其最大值均为177.6 MPa；最大应力点出现的位置如图4所示。Bottom面应力最大值出现在工况6和工况8，其最大值均为151.2 MPa，最大应力点出现位置如图5所示。悬挂式单轨转向架摇枕材料为Q345低合金高强度钢，根据UIC 515-4规定，对于超常运营工况，材料许用应力为314 MPa[1]。

在运营载荷工况下，Top面最大应力值出现在工况44、45，其值均为164.7 MPa，其应力最大点出现位置如图6所示。Bottom面最大应力值出现在工况48、49，其值均为143.6 MPa，其应力最大点出现位置如图 7 所示。根据UIC 515-4规定，超常运营工况下Q 345的许用应力为216 MPa[1]。

a) 工况10

b) 工况12

a) 工况6

b) 工况8

a) 超常工况44

b) 超常工况45

对于超常载荷工况与运营载荷工况，摇枕结构均能满足强度要求。由于摇枕整体结构沿y方向对称，在不同载荷的组合结果中需考虑对称加载的问题，因此，摇枕的最大应力出现位置也呈现出对称的趋势。其应力最大值均出现在摇枕内部加强筋与下底板的焊接位置，从摇枕整体的设计结构来看这种结果是合理的。

a) 工况48

b) 工况49

4.2 疲劳强度分析

通过静强度的分析结果可知，摇枕受力较大位置出现在内部加强筋与下底板的焊缝处，因此，本文在疲劳强度分析中提取了摇枕内部加强筋与上盖板、下底板焊缝处的节点，采用ERRI B12/RP17报告中提出的基于疲劳裂纹拓展方向与最大主应力方向垂直的原理进行分析。其主要方法为计算各个工况下节点的最大应力σmax、最小应力σmin和平均应力σm，利用Simth形式修正的Goodman疲劳极限图对其进行疲劳判定[3]。

摇枕Bottom面与Top面的Goodman疲劳极限图如图8所示。根据计算结果可知，无论是摇枕的Bottom面还是Top面，其节点平均主应力，以及最大和最小主应力均落在对接焊缝的包络线内，因此该摇枕加强筋处焊缝满足疲劳强度要求。

5 结语

悬挂式单轨转向架结构具有多样性，目前我国并没有针对悬挂式单轨制定出相关的强度计算标准。本文参照UIC 515以及EN 13749标准中对于轻轨、有轨电车的相关规定对悬挂式单轨摇枕进行了强度分析，其静强度、疲劳强度均满足相关要求。但是，由于悬挂式单轨不同于传统城市轨道交通制式，所以需研究、分析传统标准中的部分数值是否适用于悬挂式单轨，并且建立出一套适用于悬挂式单轨的强度计算标准。

a) 摇枕Bottom面

b) 摇枕Top面