低地板有轨电车整体锻造轴桥的设计

2021-07-28李志远

机械管理开发 2021年6期

李志远

（智道铁路设备有限公司，山西太原 030032）

引言

独立轮对是100%低地板有轨电车的关键走行部件，而轴桥是其标志性结构，不可或缺。随着锻造设备及工艺的不断升级，对轴桥进行整体锻造成为可能。这一工艺不仅能大幅降低轴桥制造成本，减少自重，更能利用一体锻造产生的完整金属流线有效提高其各项机械性能指标，从而保证车辆运行安全可靠。该产品的设计开发能够有效助力国内低地板车辆的国产化及性能优化。

1 低地板有轨电车轴桥概况

具有轴桥这一部件是100%低地板有轨电车与其他低地板有轨电车的最明显区别之一。轴桥作为新一代低地板有轨电车轮对的关键零部件，因其具有独有的中间下凹结构，真正实现了低地板有轨电车车厢全部地板面距地面高度均≤0.4 m，从而实现了整个车厢贯通式低地板的结构。

通过对国内外资料分析汇总，根据制造工艺的不同，将轴桥分为四种类型，分别是整体铸造轴桥、分体式轴桥、铸/锻焊轴桥以及整体锻造轴桥（如图1所示）。国外最先使用的是分体式轴桥，即轴头与轴身作为两个不同的零件，通过冷压或热压的方式被压装到一起，其优点是锻造难度低，轴头机械性能优良，缺点是整体重量大，单件重量在0.4 t以上，在轻量化设计趋势的今天，已基本被淘汰。与之相比，整体轴桥可以有效降低自重。其中，整体铸造轴桥与铸/锻焊轴桥受限于工艺要求，形状结构较为复杂，且铸造件与焊接件的废品率较高，因此这两种类型的轴桥制造成本较高。随着国内外锻造设备及工艺技术的不断提高，轴桥整体锻造逐渐得以实现。凭借结构简单、成品率高、机械性能优良、自重低等优点，整体锻造轴桥逐渐成为轴桥行业的主流产品。

图1 不同类型轴桥对比

2 整体锻造轴桥设计方案

整体锻造轴桥由轴颈、轴头、轴身等部分构成，不同部位功能不同。其中，轴颈主要用于压装轴承、车轮等，其结构主要取决于轴承、弹性车轮等的安装要求；轴头与轴身作为轴桥U形结构的主体部分，其设计最主要的要求是在满足下凹的同时，提供足够的轴重承载能力。同时，轴头也是轴桥最重的部位，为此，其整体形状应在满足脱模要求的情况下，尽可能地去重并圆滑过渡。另外，根据车辆的设计需求，在轴头部位设计向两侧伸出的承重梁，以满足部分转向架减震系统的安装需求。

3 整体锻造轴桥结构设计

针对轴桥不同部位的功能要求及锻造工艺要求，在方案中进行了如下设计：

1）根据独立轮对内置轴箱要求，将两侧轴颈设计为台阶式，其大小直径轴颈分别用于安装大、小圆锥滚子轴承，大直径满足轴重承载要求，小直径满足轴端限界要求；在不同直径轴颈之间设计卸荷槽，以满足设计及加工需求；轴端设计螺纹孔及销孔，用于连接轴箱端盖或适配器等。

2）两侧轴头为梯形复合结构，以满足强度及脱模要求，利用有限元软件优化设计，以尽可能减重。在轴头两侧的承重梁预留减震系统中安装有接口及吊装孔等。

3）轴身截面为小角度梯形，与轴头及承重梁通过大圆弧过渡，设计时考虑分型面及脱模要求，并预留接地接口。

设计的整体锻造轴桥由轴颈、轴头、一系簧安装座、轴身构成，其结构如图2所示，设计参数如表1所示。

图2 整体锻造轴桥

表1 整体锻造轴桥设计参数

4 有限元强度校核

利用ANSYS软件对设计的轴桥进行强度校核，采用Solid45实体单元离散，并细化网格。将车辆实际运行时所受载荷等效加载至轴颈、承重梁等部位（如图3所示）。其中，承重梁所受载荷由COMBIN14弹簧元进行模拟，弹性模量为2.1e5 MPa，泊松比为0.28，密度为7.85 g/cm3。

参照EN13104等相关标准确定不同工况下的载荷大小。其中，超常载荷工况主要包括垂向载荷、横向载荷、启动工况、电机短路工况、制动工况等。运营载荷工况主要包括牵引工况、制动工况、垂向及横向载荷等。对各种载荷进行组合模拟加载，如图4、图5所示。

图3轴桥有限元模型

图4 超常载荷组合工况下的轴桥整体冯米塞斯应力（MPa）云图

图5 轴桥平均应力（MPa）云图

通过有限元软件计算结果可以看出：超常载荷工况下的最大应力值为99.38 MPa，位于轴身靠近轴头一侧边缘，材料抗拉极限、屈服极限分别与轴桥承受最大应力的比值Sm=6.5、Sp=4.2，满足静强度要求。利用Goodman疲劳极限图进行疲劳分析可知，轴桥各部位动应力幅值均未超出EA4T材质的疲劳极限，满足疲劳强度要求。