導軌激擾下自動旅客運輸系統車輛車橋結構強度有限元分析

步 濤

(中車浦鎮龐巴迪運輸系統有限公司，241060，蕪湖//工程師)

自動旅客運輸(APM)系統車輛的車橋,在結構上與卡車、轎車和公交車類似，肩負著動力傳輸、承受車體質量、保持車輛穩定性的重任。車轎與車體懸掛連接，在兩端安裝車輪的橋式結構部件。與普通車橋不同的是，APM車輛車橋的導向框和V臂結構會綜合影響其受力方式，改變車橋的受力方向[1-7]。因此，APM車輛的車橋必須有足夠的強度、剛度及疲勞壽命。車橋主要的失效形式有橋殼的集中開裂、齒輪失效、螺栓緊固件的失效等。在軌道交通發展的早期，車輛工程師主要采用經驗公式對車輛的最大應力進行估算；21世紀初，我國開始重視車橋的設計工作，通過運用靜強度分析，逐漸總結出3種典型工況，并制定了相關標準QCT 533—1999《汽車驅動橋臺架試驗方法》以及QCT 534—1999《汽車驅動橋臺架試驗評價指標》；國內外不少研究者對車橋也進行過有限元分析，但大多僅對橋殼進行分析，沒有分析其他的重要部件，且僅考慮其最大的受力工況，其他綜合工況也沒有得到系統的分析[8-10]。

針對以上問題，本文建立了導軌激擾下APM車輛車橋的受力模型，并提供一種更全面的有限元分析方法，不僅對車橋進行分析，并且對車橋接口的其他重要部件也進行分析，可為其他類型車橋的設計提供了借鑒和參考。

1 APM車輛車橋結構分析

車橋是車輛底盤行駛系統的重要部分，車橋通過懸架和車架相連，傳遞車架與車輪間各方向的作用力和力矩。軌道交通車輛的車橋由主減速器、差速器、半軸、橋殼(主要承載件)、制動等組成,如圖1所示。車轎的基本參數如表1所示。

圖1 軌道交通APM車輛車橋結構圖

參數數值額定軸荷/kg15 000制動類型鼓式制動軸距對軸距/mm7 580懸掛類型空簧動力純電動材料鋼結構輪距/mm2 020輪轂直徑/mm571.5輪轂寬度/mm355.6輪胎斷面寬度/mm445扁平率/%65輪胎內徑/mm571.5

主減速器起著減速增扭和改變傳動方向的作用；橋殼是安裝主減速器、差速器、半軸、輪轂的基礎件，起著主要的承載作用，承受車輛的重量，承受驅動輪傳來的各種作用力和力矩，并通過懸架將力和力矩傳給車架?？偟膩碚f，車橋有以下功能：①把發動機發出的動力傳輸到車輪上;②在動力傳遞到車輪前將傳動系的速度降下來;③允許兩輪以不同的轉速轉動;④承載車輛的重量、支撐起車體[11]。

車橋與車體通過懸架連接在一起，車體及其負載也經懸掛將力傳遞到車橋。如圖2所示，APM車輛在導軌的作用下改變行駛方向，導軌的導向力帶動導向框的環軸承，環軸承拉動橫向拉桿帶動車橋轉向，車橋通過V臂桿帶動APM車體完成轉向動作。由此可以看出，車橋是車輛主要的傳動件和承載件。

圖2 APM車輛車轎接口示意圖

2 APM車輛車橋模型的建立

對APM車輛車橋建立導軌激擾下的受力模型，如圖3所示。

由圖3可以看出，導軌改變了車橋的受力位置。普通車橋以垂向力作為其主要的受力類型，而APM車輛采用導軌導向，車橋受力方向復雜，除垂向外，縱向和水平方向上也有力的作用。所以，在APM車輛車橋的有限元分析模型中設計和試驗中，要全面考慮這些力的作用。

圖3 導軌激擾下APM車輛車橋的受力模型

如圖3所示，圖3 a)和圖3 b)為車輛與車橋的接口受力圖，包括導軌激擾和側風力等的綜合受力分析；圖3 c)和圖3 d)為車橋受力分析圖。其中:F支為地面對車橋的支撐力;FV臂為V臂桿作用在車橋的力;F控制臂為控制臂作用在車橋的力;F防傾為防傾桿受力;F側為考慮側風情況的作用力;F軌為軌道對車橋整體系統的作用力;M扭為車橋在路不平時受到的扭轉力；FG為重力；F橫拉為橫拉桿作用在車轎上的力。當車輛轉彎時，兩側的懸掛一個被壓縮，另一個被拉伸，與壓縮端相連的穩定桿末端向上移動，與拉伸端相連的穩定桿末端向下移動，這樣就形成了F防傾。在各個力的綜合作用下，車橋的受力情況復雜，應力分布復雜。因此，對車橋作綜合工況下的有限元分析就格外重要。

通過對APM車輛的橋殼進行有限元分析，可以找出其薄弱部位，分析載荷水平，確定車橋能承受的極限載荷。在有限元分析中,從彈性材料上對車橋的彈性變形、塑性變形、極限變形進行分析,并考慮車橋的應力、應變、強度和剛度。將車橋假定成一個彈性體，并作以下假設:車橋內部結構是連續且均質的，車橋內部物質是各向同性的。應用catia軟件建立APM車輛車橋的幾何三維模型，將模型導入到ansys軟件中，對導向輪、V臂進行簡化劃分網格，采用近似關節單元代替球型關節，其余的連接部件也做了相關的關聯，并保證模型的形狀、約束、載荷與實際情況一致。

把車橋離散成有限個單元，采用4節點4邊形單元劃分單元網格，在受力集中處劃分的網格可進一步細分。如圖4所示，整個APM車轎共劃分為1.258×106個元素和1.121×106個節點。對導向框和V臂座單獨劃分網格，獨立設置約束，以便更準確地分析導向框和V臂處的應力分布情況。

圖4 APM車輛車橋網格劃分截圖

根據ASCE 21-13—2013《自動旅客運輸系統標準》的要求施加負載。車輛的行駛條件是千變萬化的，因此，要精確地計算車輛行駛時作用于橋殼各處應力的大小很困難。通常情況下在設計橋殼時多采用傳統的設計方法，即將橋殼看成簡支梁，并校核某特定斷面的最大應力值。該標準也僅規定了車橋承受滿載時車轎的受力：每車輪距最大變形不超過1.5 mm；承受2.5倍滿載軸荷時，橋殼不能出現斷裂和塑性變形。但是，車橋不僅受到滿載軸荷，還會存在其他綜合工況。本文分別在垂向、縱向和水平3個方向施加不同的力，對所產生的12種綜合工況組合進行有限元仿真分析，如表2所示。

表2 APM車輛車橋模型綜合工況

APM車輛車橋常用材料的彈性模量和泊松比如表3所示。

表3 APM車輛車橋模型的材料屬性

3 APM車輛車橋有限元分析

APM車輛車轎的有限元應力分析中，應力分布情況和理論分析一致。圖5為對APM車輛車橋建立了12種綜合工況的有限元應力分布模型，這12種工況幾乎可以涵蓋APM車輛在日常工作中的所有情況。由圖5可以看出，每種工況的應力集中點不同。這12種工況的應力值都在許用應力范圍內。在工況6情況下，應力值最大，為20.7 N/mm2，其應力分布在導向輪螺套處。

4 APM車輛車橋試驗驗證分析

本文還對車橋的關鍵部件進行了有限元分析。圖6為對導輪螺套極限載荷有限元應力分布所做的模擬分析，圖7為對環軸承極限載荷有限元應力分布所做的模擬分析。由圖6和圖7可知，螺套最大應力分布在螺套頭部，環軸承的主要應力集中在螺栓孔處，應力分布與理論分析一致。

本文最后還對車橋做了臺架試驗，結果表明：車橋受力規定車橋承受滿載時，每車輪距最大變形不超過1.5 mm；承受2.5倍滿載軸荷時，橋殼未出現斷裂和塑性變形；車橋在垂直方向的最大載荷取滿載軸荷的2.5倍，最小載荷取0，在施加脈動載荷、疲勞次數80萬次后，車橋未出現疲勞破壞。

圖7 環軸承極限載荷有限元應力分布截圖

5 結語

本文通過分析APM車輛的車橋結構，建立了導軌激擾下導向框和V臂綜合作用的受力模型。通過建立驅動橋殼的有限元模型，綜合分析各種工況的有限元數值模擬，得到各種工況下的應力分布情況。模擬仿真結果表明，驅動橋殼滿足強度和剛度的設計要求。

1) 通常車橋有限元分析僅考慮最大沖擊載荷工況、最大緊急制動工況和側滑工況。本文對車橋在導軌激擾下的12種綜合受力工況進行分析，充分考慮了各種工況下的應力分布和疲勞情況，并得到了詳細的應力與變形的分布情況，從而判定出應力集中區域和應力變化趨勢。

2) 本文在受力及網格劃分時，充分考慮到導向框和V臂對車橋的受力影響，兼顧了所有可能的應力集中點，保證數值模擬的數據真實性。

3) 本文有限元分析的12種工況基本涵蓋車輛運行中所有的路況，是一種可借鑒的系統分析流程。