悬挂式单轨吊架强度分析*

薛钰宇，王伯铭，黄海凤，萧 明

(1.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031；2.宁波大学 商学院，浙江 宁波 315211)

0 引言

随着城镇化建设的发展，单轨交通凭借其独特的优势如占地面积小、建设成本低、环境友好、良好的爬坡能力、噪声小等受到广大轨道交通建设者青睐，促使轨道交通相关领域的科研人员对悬挂式单轨进行各个方面的研究：马登峰等对悬挂式单轨车辆悬吊梁进行了强度分析，得出整体结构在各工况下满足静强度和疲劳强度要求[1]；Jiang等对两种不同铰接式单轨车辆曲线通过性能进行比较，得出对于通过小半径曲线的车辆，“无摇枕”结构是较好的选择[2]；陈志辉等对悬挂式单轨车辆悬挂参数对运行平稳性的影响进行了研究，得出车辆定载及重载工况动力学性能优于空载[3]；朱健伟通过研究发现二系垂向刚度的变化会使车体垂向振动加速度呈波动性变化[4]。

车辆的吊架空气弹簧安装座接触面坐落在悬吊梁上空气弹簧处，再通过销轴座连接车体，同时承受拉伸和压缩载荷。因此，吊架的强度对车辆运行的安全性和可靠性有重要影响。本文根据EN标准对吊架进行了静强度、疲劳强度分析，并通过MATLAB得出吊架Goodman疲劳曲线图。

1 有限元分析

1.1 结构分析

在CREO中建立的吊架三维模型如图1所示。车辆的吊架采用由钢板焊接而成的箱型结构，下面部分直接与车体相连，主要承受和传递车体与悬吊梁之间的力，车体的重量通过吊架直接压在空气弹簧上作用在悬吊梁左右两侧。

1.2 有限元模型处理

将吊架模型导入Hypermesh进行网格划分，选用Solid185单元；赋予表1所示的材料属性。整个吊架模型共含有实体单元817 429个、节点1 345 284个。吊架有限元模型如图2所示。

图2 吊架有限元模型

表1 材料属性

1.3 边界条件

本文根据EN_13749/2011、UIC_515-4/1993等标准，结合吊架结构实际情况施加边界条件:将销轴座完全约束，在吊架与空气弹簧接触面、横向减振器、垂向减振器处施加集中力。

1-安全钢索座；2-空气弹簧接触面；3-横向减振器安装座；4-销轴座；5-垂向减振器安装座

1.4 吊架工况分析

1.4.1 吊架超常工况分析

建立的超常工况载荷如表2所示。由于目前还未有关于单轨车辆各个部件相关强度计算标准，尤其是空气弹簧过充时安全钢索承受的载荷，故本文中安全钢索座承受的载荷是根据空气弹簧过充时的压强与垂向载荷的差确定的。根据表2载荷得到的吊架在超常工况下的应力云图如图3所示，最大应力部位及数值如表3所示。由表3可知，最大应力部位在安全钢索座处，其值为281.512 MPa。

图3 部分超常工况下应力云图

表2 超常工况载荷 N

在超常静载荷情况下，焊缝区材料的极限强度安全系数取1.1，非焊缝区取1，因此许用应力分别为322.7 MPa(焊缝区)和355 MPa(非焊缝区)。由表3可知，最大应力值都在许用应力范围内，故其满足列车运行的强度要求。

表3 超常工况下吊架最大应力部位及数值

1.4.2 吊架正常运营工况

建立的正常运营工况载荷如表4所示。根据表4载荷得到的吊架在正常工况下的应力云图如图4所示，最大应力部位及数值如表5所示。由表5可知，最大应力部位在横向减振器安装座处，其值为137.502 MPa。

图4 部分正常工况下应力云图

表4 正常运营载荷 N

在正常运营载荷情况下，焊缝区材料的极限强度安全系数取1.65，非焊缝区取1.5，因此许用应力分别为215.2 MPa(焊缝区)和236.7 MPa(非焊缝区)。由表5可知，最大应力值都在许用应力的范围内，故其满足列车运行的强度要求。

表5 正常运营工况下吊架最大应力部位及数值

2 疲劳分析

以表4中的正常运营载荷工况计算疲劳强度。依据标准UIG_515-4、EN_13749提供的疲劳强度评估方法，对吊架应用基于无限寿命设计准则的疲劳极限法[5]，得出如图5所示的Goodman疲劳极限图。

依据UIC_515-4标准，在做疲劳试验的场合，少数测量点的应力值可以超过极限应力，最多可达20%。由图5可见，实体单元的节点应力都落在母材包络线以内，故吊架整体满足疲劳强度的要求。

图5 吊架Goodman疲劳极限

3 结束语

本文通过ANSYS计算分析吊架在超常工况、运营工况下受力状况及疲劳寿命，确定了整体结构在各工况下满足静强度和疲劳强度要求。但由于目前还未有关于单轨车辆各个部件相关强度计算标准，尤其是空气弹簧过充时安全钢索承受的载荷，本文中安全钢索座承受的载荷采用的是空气弹簧过充时的压强与垂向载荷的差，可为相似结构的研究计算提供一定的参考。