低地板车辆轴桥的强度计算与评定
2020-07-15吴志强
吴志强 杨 辉 陈 沛
( 中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213125)
我国对低地板车辆的研究较晚，在2010年后国内对低地板车辆的关注度迅速提升，目前为止有规划建设或已开始建设低地板线路的城市超过50个。轴桥是使用在低地板车辆上的轴类关键零部件，为了降低车辆内地板面的高度，该零件设计成下凹式弯曲结构[1]。
国内的传统轴桥大部分采用整体铸造或焊接形式的工艺进行制造，缺陷较难控制，可靠性较低。整体锻造轴桥作为近几年国内先进生产工艺生产的产品，它具有缺陷少、性能优异等优点[2]。
作为低地板车辆上的重要部件，轴桥的强度对车辆的安全性和平稳性至关重要。低地板车辆在运行时，轴桥不转动，连接在轴桥两侧的车轮独立转动，相比传统车轴增加了一系悬挂支撑座等结构，它的受力与传统车轴差异较大，至今没有关于低地板车辆用轴桥的受力计算标准，国内外也很少有相关的受力计算论文。本文参考传统客车车轴、转向架等标准，针对轴桥进行了载荷计算及强度评定。
1 轴桥的有限元模型
文中轴桥采用的是整体锻造成型工艺，使用某高强度合金钢锻造材料。力学性能参数如表1所示。
表1 轴桥材料力学性能参数
有限元模型采用C3D4四面体实体单元，并在轴桥轴头处网格细分，确保计算精度，网格模型如图1所示。
图1 轴桥网格模型
2 轴桥载荷计算
轴桥计算的主要输入参数如表2所示。
表2 轴桥计算的主要参数
轴桥承受的载荷可分为极限载荷和运行载荷，这些载荷组合了成轴桥在车辆运行过程中的不同计算工况。下文列出了轴桥可能承受的所有载荷类型，并分析了轴桥在各种载荷下的受力状态以及受力大小[3]。
2.1 极限载荷
2.1.1极限垂直载荷
参照EN 13749标准，得出作用于一个轴桥的质量应为：
m1max=(mv+c1-m2)/2=8 750 kg
每个车轮对轴桥的垂直支撑载荷为:
Fzw1max=1.4·m1max·g/2=60 086 N
2.1.2极限横向载荷
计算时取车辆的最大横向加速度ay=0.6g，极限工况下轨道作用于车轮的横向力大小为：
Fywmax=ay·m1max=51 503 N
方向：与车辆的横向加速度方向相反。
2.1.3侧滚垂向载荷
该载荷为横向力引起两侧车轮垂向力的变化。车体在受横向力时会发生侧滚运动，从而使车轮一侧增载的同时另一侧减载，则作用在车轮上的侧滚垂向力为：
Fzw2max=Fyw2max·(h-hp)/p=49 786 N
2.1.4极限纵向载荷
考虑最大纵向加速度的大小ax=0.5g，作用在轴桥处的纵向牵引力的大小为:
Fxw2max=axmax·(m1max+m+)/2=22 097 N
2.2 运行载荷
2.2.1垂直静态载荷
作用于一个轴桥的质量为：
m1=mv+1.2·(c2-m2)/2=8 120 kg
每个车轮对轴桥的垂直支撑力为:
Fzw1=m1·g/2=39 829 N
2.2.2垂直动态载荷
垂直动态载荷的取值依据EN 13104标准，为垂直静态载荷的25%。
2.2.3横向载荷
EN 13104标准规定车辆的横向加速度为ay=0.35g，轨道作用于车轮横向力的大小为:
Fyw=ay·m1=27 880 N
方向：与车辆的横向加速度方向相反。
2.2.4侧滚垂向载荷
该载荷为横向力引起两侧车轮垂向力的变化。车体在受横向力时会发生侧滚运动，从而使车轮一侧增载的同时另一侧减载，则作用在车轮上的侧滚垂向力为：
Fzw2=Fyw·(h-hp)/p=26 951 N
2.2.5纵向载荷
该载荷为车辆启动时的惯性力，车辆运行时纵向加速度的大小为0.3g。作用在轴桥每一端轴颈处的纵向牵引力的大小为:
Fxw=ax·(m1+m+)/2=12 331 N
2.3 载荷工况
如图2所示，规定坐标系中+Y方向为车轮1所在位置。经有限元初步分析，纵向载荷对轴桥的应力贡献非常小，最大应力位置的贡献在10 MPa以内，因此在极限和运行载荷工况中省略纵向载荷，以简化工况组合。
图2 轴桥坐标图
对于极限负载，选取了过曲线和道岔下的4种垂向载荷和横向载荷组合工况，如表3所示。
参考UIC 515-4和EN 13749标准中的工况组合方法，并结合低地板车辆特殊的槽型轨受力情况，将垂向载荷、横向载荷按照直线、曲线和道岔工况进行组合，模拟运行工况如表4所示。
表3 轴桥极限工况
3 计算结果及分析
3.1 静强度计算结果及分析
将轴桥材料的抗拉极限、屈服极限与计算所得到的最大应力之比，分别定义为抗拉安全系数和屈服安全系数，用Sm、Sp表示。当Sm、Sp同时满足Sm≥2，Sp≥1.5 时，认为轴桥的静强度满足使用要求。
针对表3中的极限工况，采用第四强度理论计算出轴桥的Von Mises应力(见表5)，结果显示最大应力出现在第2工况轴颈与轴头圆弧过渡位置(见图3)，Von Mises应力大小为349.1 MPa。经过计算，抗拉安全系数Sm为2.29，屈服安全系数Sp为1.72，轴桥静强度满足设计要求。
表4 轴桥模拟运行工况
表5 危险点的应力结果
图3 极限工况下最大Von Mises应力工况
3.2 疲劳强度计算结果及分析
Goodman疲劳极限图法是一种简便实用的疲劳强度评定方法，它基于材料的疲劳强度、抗拉强度和屈服强度等绘制疲劳极限图，通常利用仿真方法获得的危险点处应力数据进行评估，该方法在产品设计阶段具有很重要的意义[4]。
将轴桥各模拟运行工况进行有限元分析，选取轴桥上的8个危险节点，计算出各节点在不同运行工况下的最大主应力σmax及最小主应力σmin，按下式计算各点的等效平均应力及等效应力幅值：
各节点的应力计算结果如表6所示，将等效平均应力及等效应力幅值点入Goodman图进行疲劳强度评定。如图4所示，应力计算结果处在材料Goodman疲劳极限图内，因此疲劳强度能满足设计要求。
表6 危险点的应力结果
图4 轴桥的Goodman疲劳评定图
4 结束语
上文介绍了一种采用整体锻造工艺进行制造的低地板车辆轴桥产品，参考EN 13104、EN 13979、EN 13749等标准，对极限载荷和运行载荷下的轴桥进行受力计算，采用有限元方法对轴桥的静强度和疲劳强度进行计算及评定，结果满足设计要求。
由于低地板车辆线路运行环境与传统车辆差别较大，轴桥没有专门的受力计算标准。文中的受力及计算方法综合了车轴及转向架类相关设计计算标准，对其他种类轴桥及低地板车辆的受力分析有一定的参考价值。
近年来，国内外研究机构开始使用VDV 152进行车辆的计算及评估，最新的VDV 152-2016对低地板车辆的强度分析及评定进行了系统指导，公司项目团队也进行了这方面的研究。
