城轨地铁用车轴强度计算分析

2021-04-14杜松林张明如

安徽冶金科技职业学院学报 2021年1期

童乐，丁毅，杜松林，张明如，赵海，戴俊

(1.马钢(集团)控股有限公司安徽马鞍山 243000；2.马鞍山钢铁股份有限公司轨道交通关键零部件先进制造技术国家地方联合工程研究中心安徽马鞍山 243000)

随着城市规模的快速发展，城轨地铁已然成为城市轨道交通必不可少的交通方式，城轨地铁的行车安全性也随之备受人们关注。因为车轴是城轨地铁车辆转向架的主要承重零部件，所以车轴强度与城轨地铁的安全性和效率息息相关。城轨地铁运行线路较复杂，导致车轴的运行工况、受力情况同样多变，在承载车辆簧上重量的同时，牵引力、制动力以及来自线路的冲击载荷和通过曲线时横向作用于轮缘的导向力也是车轴需要承受的主要载荷。所以，为确保该城轨地铁用车轴在运用过程中的安全可靠性，在设计阶段有必要对该车轴开展计算分析并进行强度可靠性评估。

目前，国内外常用的轨道交通车辆动力、非动力车轴的强度计算方法是参照欧洲标准EN13103/EN13104中规定的内容进行分析，该标准给出了相应的材料力学分析方法用于车轴的强度计算，本文作者参照该方法针对某城轨地铁用车轴进行了分析，通过强度计算判断车轴轴型的适用性。

1 车轴受力分析模型

该城轨地铁用车轴是非动力车轴，轴型如图1所示。对于这种常规的非动力车轴，车轴的受力分析模型的载荷仅考虑簧上、簧下质量载荷和制动载荷这2种情况，这是因为基于以往丰富的计算经验可以发现，相对于制动，由牵引力引起的车辆负载很小，同时，车辆的制动工况和牵引工况不可能同时出现，因此一般情况车轴强度计算不考虑牵引力的影响。

图1 车轴设计图纸

1.1 簧上簧下质量载荷

簧上簧下质量载荷主要包括：每条轮对轴颈上的所承受的车辆重量，其中包括了轴承和轴箱的重量；轮对本身的重量以及该轮对两车轮滚动圆之间的重量，比如制动盘等。

根据车轴所受到的簧上簧下质量载荷，对其进行受力分析，如图2。

图2 车轴受力分析

(各质量载荷所代表的含义(略),相关计算公式参照欧洲标准EN13103。

针对该城轨地铁车轴进行上述受力分析后，该城轨地铁在通常运行情况下所产生的弯曲力矩便可直接得出，该力矩的方向与z 轴平行，由图3 所示。然而，由于车轴各部位复杂的受力情况，该力矩主要分2种情况讨论：

载荷面与滚动圆之间；

两滚动圆之间。

图3 运动中由质量引起的力矩的定义

1.2 制动载荷

该城轨地铁车轴制动方式为制动盘制动，且两制动盘安装在车轴上，因此需要分别计算由制动产生的横截面力矩，由

'、

'这3个分量表达：1)弯曲力矩

'，该力矩是由z与轴平行的垂直力产生；2)弯曲力矩

'，该力矩是由与x轴平行的垂直力产生；3)扭矩M'，沿轴中心线 (轴) ，由施加再车轮上的切向力引起。

城轨地铁车轴的计算截面的位置不同所对应的计算公式不同，这3个力矩分量同样分2种情况讨论。其中，车轮与闸瓦间或制动盘与闸片间的平均摩擦系数和制动盘闸片界面上的最大压力需要考虑进去。

载荷面与滚动圆之间；

滚动面和制动盘之间。

2 车轴各截面应力分析

对该城轨地铁车轴进行受力分析并确定了其所受载荷之后，选择车轴需要进行强度分析的截面和位置，具体见图4，主要包括：1)轴颈-防尘座圆弧底部；2)防尘座-轮座圆弧底部；3)轮座；4)轮座与刹车盘座圆弧底部1；5)轮座与刹车盘座圆弧底部2；6)刹车盘座；7)刹车盘座与轴身圆弧底部。

2.1 抗弯模量

上述所选取的各个车轴截面的抗弯模量参照下式计算：

式中：

为对应车轴计算截面的直径。

图4 选取的截面

2.2 合力矩

每一截面用合成力矩计算最大应力：

其中，

，

为运行中车轴负载和制动引起的各分量之和。

2.3 疲劳应力集中系数

标准EN13103给出了疲劳应力集中系数相关规定，以此可以通过计算确定该城轨地铁车轴不同截面处所对应的应力集中系数。通常，车轴圆柱部位的表面以及空心车轴的内孔表面的应力集中系数K值确定为1，而该城轨地铁车轴在两相邻截面直径改变处(例如轴颈-防尘座圆弧底部)应力会增大，因此最大应力一般位于以下2处，计算方法参照标准EN13103具体规定：

两个相互邻近的不同直径圆柱过渡部分的底部，如图5a，此处应力集中系数与过渡处的圆弧半径、过渡处的圆柱半径等参数密切相关；

沟槽底部，如图5b，此处应力集中系数与沟槽底部的圆弧半径、沟槽底部的的圆柱半径等参数密切相关。