现代有轨电车铰接装置强度解析与试验研究_郝博.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER现代有轨电车铰接装置强度解析与试验研究郝博,蒋于龙，刘世（中车制动系统有限公司，山东 青岛 266031）RzRxRyzxy图3转动铰示意图0引言现代有轨电车的发展始于20世纪90年代的法国。随着多年来在法国、德国等多个欧洲国家的成功运营，现代有轨电车以全新的结构设计理念迅速吸引了国内众多城市的关注和研究1-2。特别是近年来，我国为实现“碳中和、碳达峰”战略目标，大力倡导“低碳出行、绿色环保”理念，城市轨道交通成为这一理念的重要载体，现代有轨电车以其绿色环保、乘坐舒适性强、运行灵活性高、投资成本较低等特点，在我国一些城市（如沈阳、苏州、三亚等），已进入运营阶段3。为保证在城市轨道的小半径曲线上通过，以体现其运行灵活性的特点，现代有轨电车车辆大多采用39 m短车体，每节车辆为一个模块，通过不同形式的铰接装置组合进行编组，其中常用的3种铰接装置分别为固定铰、转动铰、自由铰4。以五模块100%低地板有轨电车为例，其编组形式及铰接装置配置情况如图1所示。铰接装置作为模块之间连接的重要装置，其强度直接关系到车辆的运行安全，是设计研发中需重点关注的因素，因此对其强度进行分析并进行试验研究具有重要意义5。1结构介绍固定铰主要由安装座和关节轴承组成，能够传递垂向力、纵向力和横向力，一般安装于模块下侧，如图2所示。关节轴承在限制3个方向 平 动 的同时，可使两侧模块绕3个方向相互旋转。转 动 铰 主要由安装座、关节轴承、橡胶节点、调节装置等几部分组成，能够承受横向力和纵向力，一般安装于模块上侧，如图3所示。关节轴承和橡胶节点与各自销轴之间能够相对转动，同时也不限制垂向平动。固定铰和转动铰配合使用，限制了相邻模块间的沉浮运动和侧滚运动，使得相邻车辆仅存在相对摇头的自由度，即在水平 面 内 相 互 旋转，有利于车辆通过水平曲线。自由铰主要由安装座、杆端关节轴承、调整装置等几部分组成，仅承摘要：针对现代有轨电车3种常用铰接装置进行了强度解析，通过有限元建模实施了计算，将分析结果与静强度试验结果进行对比分析研究，验证了其设计指标，为铰接装置生产和系列化研发提供必要的理论依据。关键词：有轨电车；铰接装置；强度；试验对比中图分类号:U 482.1文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08011603Strength Analysis and Experimental Research of Modern Tram Articulation DeviceHAO Bo,JIANG Yulong,LIU Shi(CRRCQingdaoSifangRollingStock Research Institute Co.,Ltd.,Qingdao266031,China)Abstract:The strength analysis of the three articulation devices of tram is carried out,and calculations are carried outthrough finite element modeling.The analysis results are compared with the static strength test results,and it is verifiedthat they can meet the design requirement,which provides the necessary theoretical basis for the production and seriesdevelopment of articulation devices.Keywords:tram;articulation device;strength;test comparison基金项目：四方所技术中心科技研究开发计划研发课题“低地板车辆铰接装置研制”（2013SRI055）图1五模块100%低地板有轨电车编组形式及铰接装置配置示意图A、E、B为带转向架模块；C、D为浮车模块；“=”为固定铰和转动铰组合；“+”为固定铰和自由铰组合ACEDB图2固定铰示意图RzRxRyzxy116机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER图4自由铰示意图RzRxRyzxy受横向力，一般安装于模块上侧，如图4所示。自由铰不限制相邻模块之间的垂向、纵向平动和3个方向的转动，仅限制横向的平动。自由铰和固定铰配合使用可限制车辆间的侧滚运动，不限制点头运动，有利于车辆过竖曲线6-8。本文以上述3种铰接装置为研究对象，利用有限元数值仿真技术进行强度分析，并将有限元分析结果与强度试验结果进行对比分析，以验证设计计算方法的可靠性。2计算模型的建立上述3种不同的铰接装置主体结构均为碳素结构钢，根据3种铰接的工作状态，其所承受的载荷如表1所示，力值的正负参考图2图4的坐标方向。有限元前处理所采用的软件为HyperMesh，根据铰接装置的实际尺寸建立有限元模型，有限元网格主要离散为四面体SOLID185号单元。有限元模型如图5所示，计算时将铰接装置各关节轴承进行简化处理。3有限元静强度分析根据铰接装置的实际装车状态及所承受的载荷对铰接装置的有限元模型施加边界条件，通过有限元计算，固定铰的最大应力产生在Fz方向+70 kN载荷工况下，最大应力值为299MPa，出现在关节轴承安装孔位置。转动铰的最大应力产生在Fx方向-120kN载荷工况下，最大应力值为286 MPa，出现在固定支座斜拉筋板位置。自由铰最大应力产生在Fy方向-25 kN载荷工况下，最大应力值为192 MPa，出现在斜拉筋中间部位。计算结果的应力云图如图6图8所示。通过静强度分析可知：3种铰接装置在不同工况作用下的最大VonMises应力均小于材料的屈服强度，因此3种铰接装置均满足设计要求。4静强度试验将铰接装置样机通过试验工装安装于试验台进行静强度试验，其安装方式模拟实际装车状态，静强度试验采用贴应变片的方式进行标定，通过动态应变仪获取试验结果，如图9图11所示。施加载荷按照表1数据进行。试验中测得各点的应力均不超过材料的许用应力，满足设计要求。其中自由铰的贴片位置如图12所示。试验结果如表2所示。根据胡克定律，各贴片点应变值对应的应力值如表3所示。表1铰接装置承受载荷列表序号方向固定铰转动铰自由铰1Fx-400/+200-120/+502Fy5546253Fz+70图5铰接装置有限元模型（a）固定铰有限元模型（b）转动铰有限元模型（c）自由铰有限元模型图11自由铰静强度试验图8自由铰的应力云图图6固定铰的应力云图图7转动铰的应力云图图9固定铰静强度试验图10转动铰静强度试验kN299 MPa286 MPa192 MPa117机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER5有限元计算与试验测试结果的对比在两种工况的作用下，自由铰贴片位置的有限元计算应力与试验测试应力的对比结果如表4、表5及图13、图14所示。从以 上 结果对比可知，所选取区域的应力测点的测试值与有限元计算值的变化趋势基本一致，各测试点相对误差均不超过20%，说明有限元仿真计算结果较为准确。影响两者结果一致性的因素主要有以下几点：1）生产过程中产生的制造误差导致试验样机与有限元模型存在一定差异。2）有限元仿真分析中离散网格单元大小与应变片尺寸存在差异。应变片尺寸一般为3mm，而根据铰接装置实际尺寸，有限元模型中单元大小被设置为10 mm左右，当将应变片设置于应力梯度变化较大区域时，实测应力与计算值会产生较大差异。3）测试过程中应变片漂移的影响。一般应变片漂移在最大读数的1%2%之间，但对应变大于510-4的测量点影响是非常小的，对低应变影响较大9-10。6结论通过对现代有轨电车铰接装置的强度解析及试验研究表明：1）固定铰的最大应力产生在Fz方向+70 kN载荷工况下，最大应力值为299 MPa，出现在关节轴承安装孔位置。转动铰的最大应力产生在Fx方向-120 kN载荷工况下，最大应力值为286 MPa，出现在固定支座斜拉筋板位置。自由铰最大应力产生在Fy方向-25 kN载荷工况下，最大应力值为192 MPa，出现在斜拉筋中间部位。这些部位属于设计和检验时重点关注区域。2）各区域应力测点的测试值与计算值的变化趋势基本一致，各测试点相对误差均不超过20%，说明有限元建模解析可行，可取代试验检验。3）以本计算与试验研究结果为基础，可为同类项目的研究开发提供借鉴，缩短开发周期和节约试验研究成本。参考文献1薛美根,杨立峰,程杰.现代有轨电车主要特征与国内外发展研究J.城市交通,2008,6(6):88-91.2卫超,顾保南.欧洲现代有轨电车的发展及其启示J.城市轨道交通,2008(1):11-14.3饶雪平,陈祥.新型绿色环保公共交通有轨电车J.上海建设科技,2009(2):9-11.4吕凤梅,赵建秋,闫晓明,等.100%低地板现代城市有轨电车限界和小曲线通过分析J.铁道车辆,2013,51(9):5-7.5牛锡平,周希楹.100%低地板轻轨车辆车体固定铰强度分析J.铁道机车车辆,2008,28(6):43-46.6马凯,方吉,陈秉智,等.导轨式胶轮电车单元式铰接车体固定铰的静强度分析J.城市轨道交通研究,2020(6):72-76.7许敏,吴学政,曾潞洋.有轨电车铰接装置的结构及有限元分析J.上海电气技术,2016,9(2):18-22.8黄磊,任利惠,牛锡平,等.低地板轻轨车辆车体连接铰强度分析J.城市轨道交通研究,2009(5):26-29.9周元伟.不锈钢点焊车体静强度仿真计算与试验对比研究J.铁道机车与动车,2020(7):24-26.10于建东.重载货车车体强度可靠性研究D.大连:大连交通大学,2013.（编辑邵明涛）作者简介：郝博（1988）,男,硕士研究生,工程师,从事轨道交通核心装备研发工作。收稿日期：2022-07-27表4Fy+25工况测试应力与计算应力对比结果MPa应变片 测试应力计算应力相对误差/%C1-11.12-9.5314.3C230.6927.4610.5C3-16.07-14.549.5C4-74.16-66.7810.0C5-161.09-140.3912.8表2自由铰静强度试验结果10-6工况试验结果C1C2C3C4C5+25-54149-78-360-782-2559-15378356643表3自由铰静强度试验结果MPa工况试验结果C1C2C3C4C5+25-11.1230.69-16.07-74.16-161.09-2512.15-31.5216.0773.34132.46图12自由铰贴片位置C2C3C1C3C4C5表5Fy-25工况测试应力与计算应力对比结果MPa应变片 测试应力计算应力相对误差/%C112.1510.2116.0C2-31.52-28.1910.6C316.0713.2817.4C473.3469.675.0C5132.46110.7816.4图14Fy-25工况测试应力与计算应力对比分析直方图图13Fy+25工况测试应力与计算应力对比分析直方图应力/MPa-2000-100-50-15050测试应力计算应力C4C5C3C2C1测试应力计算应力50050100150应力/MPaC4C5C3C2C1118