导轨激扰下自动旅客运输系统车辆车桥结构强度有限元分析

2019-11-13步涛

城市轨道交通研究 2019年10期

步涛

(中车浦镇庞巴迪运输系统有限公司，241060，芜湖//工程师)

自动旅客运输(APM)系统车辆的车桥,在结构上与卡车、轿车和公交车类似，肩负着动力传输、承受车体质量、保持车辆稳定性的重任。车轿与车体悬挂连接，在两端安装车轮的桥式结构部件。与普通车桥不同的是，APM车辆车桥的导向框和V臂结构会综合影响其受力方式，改变车桥的受力方向[1-7]。因此，APM车辆的车桥必须有足够的强度、刚度及疲劳寿命。车桥主要的失效形式有桥壳的集中开裂、齿轮失效、螺栓紧固件的失效等。在轨道交通发展的早期，车辆工程师主要采用经验公式对车辆的最大应力进行估算；21世纪初，我国开始重视车桥的设计工作，通过运用静强度分析，逐渐总结出3种典型工况，并制定了相关标准QCT 533—1999《汽车驱动桥台架试验方法》以及QCT 534—1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》；国内外不少研究者对车桥也进行过有限元分析，但大多仅对桥壳进行分析，没有分析其他的重要部件，且仅考虑其最大的受力工况，其他综合工况也没有得到系统的分析[8-10]。

针对以上问题，本文建立了导轨激扰下APM车辆车桥的受力模型，并提供一种更全面的有限元分析方法，不仅对车桥进行分析，并且对车桥接口的其他重要部件也进行分析，可为其他类型车桥的设计提供了借鉴和参考。

1 APM车辆车桥结构分析

车桥是车辆底盘行驶系统的重要部分，车桥通过悬架和车架相连，传递车架与车轮间各方向的作用力和力矩。轨道交通车辆的车桥由主减速器、差速器、半轴、桥壳(主要承载件)、制动等组成,如图1所示。车轿的基本参数如表1所示。

图1 轨道交通APM车辆车桥结构图

参数数值额定轴荷/kg15 000制动类型鼓式制动轴距对轴距/mm7 580悬挂类型空簧动力纯电动材料钢结构轮距/mm2 020轮毂直径/mm571.5轮毂宽度/mm355.6轮胎断面宽度/mm445扁平率/%65轮胎内径/mm571.5

主减速器起着减速增扭和改变传动方向的作用；桥壳是安装主减速器、差速器、半轴、轮毂的基础件，起着主要的承载作用，承受车辆的重量，承受驱动轮传来的各种作用力和力矩，并通过悬架将力和力矩传给车架。总的来说，车桥有以下功能：①把发动机发出的动力传输到车轮上;②在动力传递到车轮前将传动系的速度降下来;③允许两轮以不同的转速转动;④承载车辆的重量、支撑起车体[11]。

车桥与车体通过悬架连接在一起，车体及其负载也经悬挂将力传递到车桥。如图2所示，APM车辆在导轨的作用下改变行驶方向，导轨的导向力带动导向框的环轴承，环轴承拉动横向拉杆带动车桥转向，车桥通过V臂杆带动APM车体完成转向动作。由此可以看出，车桥是车辆主要的传动件和承载件。

图2 APM车辆车轿接口示意图

2 APM车辆车桥模型的建立

对APM车辆车桥建立导轨激扰下的受力模型，如图3所示。

由图3可以看出，导轨改变了车桥的受力位置。普通车桥以垂向力作为其主要的受力类型，而APM车辆采用导轨导向，车桥受力方向复杂，除垂向外，纵向和水平方向上也有力的作用。所以，在APM车辆车桥的有限元分析模型中设计和试验中，要全面考虑这些力的作用。

图3 导轨激扰下APM车辆车桥的受力模型

如图3所示，图3 a)和图3 b)为车辆与车桥的接口受力图，包括导轨激扰和侧风力等的综合受力分析；图3 c)和图3 d)为车桥受力分析图。其中:F支为地面对车桥的支撑力;FV臂为V臂杆作用在车桥的力;F控制臂为控制臂作用在车桥的力;F防倾为防倾杆受力;F侧为考虑侧风情况的作用力;F轨为轨道对车桥整体系统的作用力;M扭为车桥在路不平时受到的扭转力；FG为重力；F横拉为横拉杆作用在车轿上的力。当车辆转弯时，两侧的悬挂一个被压缩，另一个被拉伸，与压缩端相连的稳定杆末端向上移动，与拉伸端相连的稳定杆末端向下移动，这样就形成了F防倾。在各个力的综合作用下，车桥的受力情况复杂，应力分布复杂。因此，对车桥作综合工况下的有限元分析就格外重要。

通过对APM车辆的桥壳进行有限元分析，可以找出其薄弱部位，分析载荷水平，确定车桥能承受的极限载荷。在有限元分析中,从弹性材料上对车桥的弹性变形、塑性变形、极限变形进行分析,并考虑车桥的应力、应变、强度和刚度。将车桥假定成一个弹性体，并作以下假设:车桥内部结构是连续且均质的，车桥内部物质是各向同性的。应用catia软件建立APM车辆车桥的几何三维模型，将模型导入到ansys软件中，对导向轮、V臂进行简化划分网格，采用近似关节单元代替球型关节，其余的连接部件也做了相关的关联，并保证模型的形状、约束、载荷与实际情况一致。

把车桥离散成有限个单元，采用4节点4边形单元划分单元网格，在受力集中处划分的网格可进一步细分。如图4所示，整个APM车轿共划分为1.258×106个元素和1.121×106个节点。对导向框和V臂座单独划分网格，独立设置约束，以便更准确地分析导向框和V臂处的应力分布情况。

图4 APM车辆车桥网格划分截图

根据ASCE 21-13—2013《自动旅客运输系统标准》的要求施加负载。车辆的行驶条件是千变万化的，因此，要精确地计算车辆行驶时作用于桥壳各处应力的大小很困难。通常情况下在设计桥壳时多采用传统的设计方法，即将桥壳看成简支梁，并校核某特定断面的最大应力值。该标准也仅规定了车桥承受满载时车轿的受力：每车轮距最大变形不超过1.5 mm；承受2.5倍满载轴荷时，桥壳不能出现断裂和塑性变形。但是，车桥不仅受到满载轴荷，还会存在其他综合工况。本文分别在垂向、纵向和水平3个方向施加不同的力，对所产生的12种综合工况组合进行有限元仿真分析，如表2所示。

表2 APM车辆车桥模型综合工况

APM车辆车桥常用材料的弹性模量和泊松比如表3所示。

表3 APM车辆车桥模型的材料属性

3 APM车辆车桥有限元分析

APM车辆车轿的有限元应力分析中，应力分布情况和理论分析一致。图5为对APM车辆车桥建立了12种综合工况的有限元应力分布模型，这12种工况几乎可以涵盖APM车辆在日常工作中的所有情况。由图5可以看出，每种工况的应力集中点不同。这12种工况的应力值都在许用应力范围内。在工况6情况下，应力值最大，为20.7 N/mm2，其应力分布在导向轮螺套处。