跨坐式單軌車輛走行輪車軸有限元分析與研究

杜子學，張智棟

(重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074)

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跨坐式單軌車輛走行輪車軸有限元分析與研究

杜子學，張智棟

(重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074)

摘要：走行輪車軸是跨座式單軌交通車輛轉向架的重要部件，其強度和剛度關系車輛的行車安全。利用有限元分析方法，建立車軸有限元模型，通過求解器進行車軸承載情況下的有限元計算。分析4種不同工況下走行輪車軸的強度和剛度，得到走行輪車軸的應力、應變云圖，為跨座式單軌走行輪車軸再優化提供依據。

關鍵詞：跨座式單軌；車軸；強度；剛度；有限元分析

0引言

城市軌道交通已經成為我國城市交通發展的主流，在城市軌道交通系統中，跨坐式單軌是一種典型的制式。

車輛走行輪車軸是跨坐式單軌車輛的關鍵承載部件，其性能與車輛運行的安全性、可靠性和舒適性直接相關。車軸在運行過程中受載狀態比較復雜，它不僅承受垂向載荷，而且還承受牽引力、制動力、側向力以及坡道阻力。為確保車輛的行車安全性能，車軸必須具有足夠的強度和剛度。

文中對跨坐式單軌車輛運行時的各個工況進行了計算，并基于Hyperworks對車軸的結構強度進行了有限元分析。

1車軸的結構簡述及結構參數

單軌列車走行系統類似汽車行駛系統，相當于汽車驅動橋。減速器輸出的扭矩通過驅動軸傳遞給輪芯，輪芯通過楔塊的摩擦力矩將扭矩傳遞到車輪從而驅動列車行駛。在單軌列車走行系統中充分利用了摩擦原理，楔塊起到了關鍵的“橋梁”作用。

走行輪空心車軸懸臂壓入、固定在構架上，輪芯通過圓錐滾子軸承安裝在車軸上，內部充填潤滑脂，輪芯內側通過后蓋、油封和熱裝在車軸上的防塵圈密封；輪芯外側通過楔形塊將輪輞緊固在輪芯上；通過邊環、鎖環將走行輪胎固定在輪輞外面；輪芯外側還安裝有驅動軸，驅動軸穿過空心車軸，驅動軸另一端的花鍵插入齒輪減速箱從動齒輪的花鍵孔中，傳遞牽引力矩。兩軸承之間設有軸承間隔套，調整該間隔套的尺寸保證軸承軸向間隙。其中，車軸材料為LZ50鋼。車軸結構示意圖見圖1。

跨坐式單軌車輛運行時受到不同工況的載荷，在計算各工況時需要用到的車輛的相關參數如表1所示。

2有限元模型的建立

建立跨坐式單軌走行輪車軸的三維模型，采用三維六面體單元對車軸進行離散；車軸承受垂向載荷及縱向載荷；進行仿真分析時，在車軸與軸座的配合部位約束其6個方向的自由度；車軸通過軸承支撐起車輪，為使仿真結果更加真實，在軸承與車軸結合處的單元(橢圓圈住的區域)施加余弦力時，受力的角度范圍為120°(如圖2所示)；車軸的材料為LZ50鋼，彈性模量為2.09 MPa，泊松比為0.28，材料的屈服強度為960 MPa。

3載荷工況

跨坐式單軌在結構設計和校核方面還沒有相應的國家標準，文中參照TBT 1335-1996《鐵道車輛強度設計及鑒定規范》、TBT 2705-1996《車輛車軸設計與強度計算方法》等標準確定走行輪車軸的有限元分析方法。根據跨坐式單軌結構的特點，文中主要考慮4種工況下車軸的有限元分析。

工況一：垂向動載荷；

工況二：平道制動工況；

工況三：牽引工況；

工況四：43 km/h過彎道工況。

3.1工況一：垂向動載荷

轉向架車軸承載靜載荷主要是單軌車輛自身重力，而車軸承受的動載荷簡化的計算方式為靜載荷與動載系數的乘積，按下式計算：

FS=KD×F0=172 480 N

式中：FS為車軸動載荷；

F0為車軸承受的靜載荷；

KD為動載系數，單軌車輛一般取1.2～1.6。

3.2工況二：平道制動工況

單軌車輛的制動工況是最常見的工況之一，參考相關標準，計算與分析車輛在平道制動的情況；單軌車輛最大制動加速度的設計標定為-1.25 m/s2。該工況下車軸在平道受力為垂向載荷和縱向載荷(制動力的反力)的合力，其中垂向載荷為107 800 N，縱向載荷為13 750 N。

3.3工況三：牽引工況

該工況下單軌車輛車軸受到來自車輛質量的垂向載荷和加速時地面反力的縱向載荷，兩者共同作用于車軸。其中垂向載荷為107 800 N，縱向載荷為10 670 N。

3.4工況四：43 km/h過彎道工況

單軌車輛以43 km/h過半徑為100 m彎道時，兩個走行輪受到來自地面的側向力和垂向力，受力簡圖如圖3所示；該工況下受力等效為在車軸軸承處施加垂向力、側向力和逆時針的彎矩。該彎矩表現為在右側軸承處施加向上的力Fn,同時在左側軸承處施加向下的力Fn，兩力大小相等，方向相反，具體計算如下：

Fx1×r+Fx2×r=Fn×l1+Fn×l2

式中：r為走行輪半徑；

l1為右側軸承中心處到彎矩中心處距離；

l2為左側軸承中心處到彎矩中心處距離。

4車軸計算結果

在構建走行輪車軸有限元模型后，按照4種工況對外輪輞施加載荷，進行強度分析計算，得到輪輞的應力與應變分布云圖。

4.1工況一：動載荷

按照動載荷工況下的載荷和邊界條件，對車軸進行強度計算分析。車軸應力、變形分布云圖如圖4所示。

4.2工況二：平道制動工況

按照平道制動工況下的載荷和邊界條件，對車軸進行強度計算分析。車軸應力、變形分布云圖如圖5所示。

4.3工況三：牽引工況

按照牽引工況下的載荷和邊界條件，對車軸進行強度計算分析。車軸應力、變形分布云圖如圖6所示。

4.4工況四：43 km/h過彎道工況

按照43 km/h過彎道工況下的載荷和邊界條件，對車軸進行強度計算分析。車軸應力、變形分布云圖如圖7所示。

5結論

跨坐式單軌車輛走行輪車軸的較大變形主要集中在車軸懸臂端，車軸各工況下最大變形量為1.637 mm，此變形量相對于走行輪的機構來說較小，剛度滿足設計要求。車軸的較大應力主要集中車軸壓入的根部。車軸各工況下最大應力為317.2 MPa，遠小于車軸LZ50鋼材料的屈服強度960 MPa，具有足夠的安全系數，強度滿足設計要求。

參考文獻:

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Finite Element Analysis for the Wheel Axle of Straddle-type Monorail

DU Zixue，ZHANG Zhidong

(School of Mechanotronics & Vehicle Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

Keywords:Straddle-type monorail; Wheel axle; Strength; Stiffness; Finite element analysis

Abstract:Wheel axle is an important component of straddle-type monorail vehicle bogie, and its strength and stiffness affect the automobile safety.The finite element model of the wheel axle was established, and the load distribution of the axle was simulated numerically by the finite element analysis method. Then, the wheel axle stress and strain were obtained by the analysis of the strength and stiffness of the wheel axle in four cases. It provides basis for optimizing the wheel axle of straddle-type monorail.

收稿日期：2016-01-21

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51475062)

作者簡介：杜子學 (1962—)，男，博士，教授，研究方向為現代車輛設計方法與理論和載運工具運行品質、交通安全。 通信作者：張智棟,E-mail:877876088@qq.com。

中圖分類號:U463.32

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)04-001-04