一种跨坐式单轨转向架空心车轴强度分析

黄会成

(株洲中车特种装备科技有限公司，湖南株洲412001)

0 引言

空心车轴是转向架承载关键零部件，其强度关系到列车运行安全。我国铁道机车车辆车轴强度计算多依据铁标 TB/T2395—2018《机车车辆动力车轴设计方法》[1]，铁标TB/T2395给出的计算方法是基于弹性力学理论只能确定车轴截面应力的工程算法，并不能得到整个车轴应力分布。对于本文计算的跨坐式单轨转向架空心车轴与空心轴套采用过盈配合、法兰面采用螺栓预紧连接，各配合位置承受轴向、径向以及弯曲、扭转等单独或组合的作用力，荷载组合复杂[2]，为保证车轴结构设计强度，建立空心车轴有限元计算模型，采用欧洲标准EN13103-1《铁路行业/轮对和转向架/驱动车轴结构设计和计算方法》[3]和EN13749《铁路应用—转向架构架结构要求的规定方法》[4]给出的载荷确定方法分析轴的计算载荷和载荷工况，对空心车轴进行静强度、疲劳强度分析，计算结果表明空心车轴强度满足设计要求。

1 车轴结构计算模型

1.1 基本参数(表1)

表1 一种跨坐式单轨转向架基本参数

1.2 有限元计算模型

空心轴与构架上空心轴套采用过盈配合，为了准确模拟空心轴受力状态，空心轴与空心轴套之间采用过盈配合连接，空心轴上的轴承内圈定位结构、轴承外圈和相应车轮的轮毂简化结构，轴承内圈与相应轴之间采用接触配合连接，各个零件之间及其与车轴间均采用接触对传递力和力矩，轴承内外圈按圆锥滚子轴承的接触角模拟轴承的传力状态。建立空心车轴有限元计算模型节总数155023个，单元总数137122个，其中实体单元122242个、接触单元和目标单元14880个。空心车轴计算模型如图1和图2所示。

图1 空心车轴有限元 图2 空心车轴有限元 计算模型 计算模型

2 载荷和计算工况

目前，没有该类单轨转向架的强度计算标准，本文空心车轴的结构强度分析的计算载荷按EN13103-1[3]和EN13749[4]标准计算载荷确定。空心轴通过过盈配合固定在构架上，牵引电机和齿轮箱系统安装在转向架的构架上，齿轮箱输出轴与走行轮的轮毂耦合在一起，空心轴和走行轮的轮毂通过两个圆锥滚子轴承连接在一起。因此，在列车运行过程中，空心轴主要承担垂向载荷和纵向载荷，稳定轴和导向轴承担横向载荷。

2.1 静强度计算载荷及载荷工况

(1)纵向载荷

根据列车运行情况，每根空心车轴承受最大纵向冲击载荷为：

Fxmax=3m+g/2=25309.8 N

(2)极限垂向载荷

根据EN13749标准和转向架的走行轮为轮胎式结构，每根空心轴承受的最大垂向载荷为：

Fzmax=1.4gQ=24335 N

根据上述确定静强度的计算载荷，在表2中给出每根空心轴、稳定轴和导向轴的计算载荷工况。

表2 静强度计算载荷工况

2.2 疲劳强度计算载荷及载荷工况

(1)除走行轮外的质量振动产生的载荷

根据EN13103-1标准，除走行轮外的质量垂向振动加速度系数av=0.25；一系簧上质量横向振动加速度系数ah=0.175。空心轴在除走行轮外的质量产生的静载荷和动载荷作用下的受力分析如图3。

图3 除走行轮外质量振动下走行轮对受力分析

在满载状态下，每根空心轴承受的垂向载荷为：

Fz=Q·g=24525 N

一系簧上质量增载时，左、右走行轮承担的垂向载荷分别为：

一系簧上质量减载时，左、右走行轮承担的垂向载荷分别为：

式中：Fz11—一系簧上质量增载时，左侧走行轮垂向载荷；Fz21—一系簧上质量增载时，右侧走行轮垂向载荷；Fz12—一系簧上质量减载时，左侧走行轮垂向载荷；Fz22—一系簧上质量减载时，右侧走行轮垂向载荷。

(2)驱动力矩对空心轴产生的纵向力

根据EN13749标准，在驱动力矩作用下，作用于每个走行轮与轨道作用点的纵向力为：

(3)基础制动对空心轴产生的纵向力

在制动状态下，每根空心轴承担的纵向制动力：

Fbx=1.1·Pa·Γ×(Rb/Rw)/2=5509.33 N

根据上述确定疲劳强度的计算载荷，在表3中给出每根空心轴的计算载荷工况。由于基础制动载荷对每根空心轴产生的纵向力大于驱动力矩对每根空心轴产生的纵向力，因此，在表3的载荷工况中，空心轴承担的纵向载荷仅考虑由制动力矩产生的纵向力。

表3 疲劳强度计算载荷工况

3 强度评估方法

3.1 制造材料的机械性能

空心轴制造材料的机械性能见表4。

表4 35CrMo[3]钢的机械性能

3.2 许用应力的确定

35CrMo钢[3]与EA4T[4]钢的机械性能比较如表5。在通常情况下，35CrMo钢的机械性能优于EA4T钢。但是，随着材料强度极限的增加，材料的缺口敏感性相应增加。因此，在稳定轴和导向轴强度分析时，由于没有其制造材料35CrMo钢的许用应力值，出于安全考虑，35CrMo钢的许用应力按EN13103-1[1]标准规定的EA4T钢选用。

表5 35CrMo和EA4T钢的机械性能比较[3-4]

空心轴未压装驱动装置，且为非回转类轴，此类车轴的许用应力确定标准未做规定。本文中，空心轴表面的许用应力值按表4的其他车轴确定，其Haigh形式的Goodman疲劳曲线如图4所示。

图4 空心轴不同区域Haigh形式Goodman曲线

3.3 强度评估方法

(1)静强度评估的准则为：

σmax≤σs

(2)疲劳强度评估的准则为：

σa≤[σ]

其材料利用度为：

D=σmax/[σ]≤1.0

4 计算结果分析

4.1 静强度计算结果及分析

(1)在表2载荷工况1的载荷作用下，空心轴的最大von Mises应力为218.478 MPa，出现在空心轴法兰的孔边区域，其von Mises应力分布如图5所示。

(2)在表2载荷工况2的载荷作用下，空心轴的最大von Mises应力为241.582 MPa，出现在空心轴法兰的孔边区域，其von Mises应力分布如图6所示。

(3)在表2载荷工况3的载荷作用下，空心轴的最大von Mises应力为217.673 MPa，出现在空心轴法兰的孔边区域，其von Mises应力分布如图7所示。

图5 表2载荷工况1下空心轴的von Mises应力分布

图6 表2载荷工况2下空心轴的von Mises应力分布

图7 表2载荷工况3下空心轴的von Mises应力分布

4.2 疲劳强度计算结果及分析

在表3制定的载荷工况下，空心轴非过盈配合区域的最大材料利用度为0.907，过盈配合区域的最大材料利用度为0.743和空心轴孔表面的最大材料利用度为0.720，应力幅绝对值最大值166.545 MPa，其材料利用度分布和应力幅绝对值分布如图8、图9所示。

图8 空心车轴材料利用度分布云图

图9 空心车轴应力幅绝对值分布云图

5 结论

根据EN13103-1和EN13749标准规定的计算载荷确定空心轴结构静强度和疲劳强度分析的计算载荷，编制静强度和疲劳强度分析载荷工况，采用有限元方法计算其应力分布，对其结构静强度和疲劳强度进行分析。综合上述分析可以得出如下结论：

1)空心车轴的最大von Mises应力为241.582 MPa，出现在与构架安装座过盈配合的空心轴端部内表面，小于35CrMo钢的屈服极限490 MPa，空心轴结构的静强度满足设计要求；

2)空心车轴非过盈配合区域的最大材料利用度为0.907<1.0，空心轴结构的疲劳强度满足设计要求。