中低速磁悬浮列车二次悬挂系统T型臂设计

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摘要：T型臂是中低速磁悬浮列车的重要的部件，起到列车顺利通过曲线的重要作用，主要传递转向力和转向力矩。为了实现轻量化设计，本文描述的T型臂采用了铝合金板和铝合金型材焊接结构，并符合EN15085焊接标准，同时在设计后期对T型臂模型进行了有限元分析计算。本文验证了T型臂结构的合理性，对焊接T型臂设计具有一定的工程指导意义。

关键词：T型臂；焊接； 有限元分析

【分类号】U266.4

0引言

T型臂对于磁悬浮列车来说，起着至关重要的作用。传统的T型臂采用铸铁材质，而且体积大，而磁悬浮列车车下设备以及其他部件布置比较紧密，这就要求各部件体积不能太大。本文描述的T型臂是基于EN15085焊接标准设计的，其体积小，焊接工艺好，强度高等特点。通过优化设计和强度计算，提升了其焊接结构设计和焊接工艺制造水平。

1 结构简介

T型臂由铝合金板件和铝合金型材焊接而成，型材为外径100mm的铝管，T型臂纵梁和T型臂横梁梁厚为30mm。铝合金型材为EN AW-6060-T6，铝合金板材质为EN AW-5083-H111。

在T型臂纵梁和T型臂横梁上加工直径为100mm的孔，将其安装在铝合金型材管上，具体结构如图1所示。

1.1结构设计

由于车下布置比较紧密，空间较小，所以T型臂尺寸较小。T型臂由铝合金型材管、T型臂纵梁、T型臂横梁和衬套组成。根据EN15085要求， T型臂纵梁和T型臂横梁与管之间为双面焊缝，其配合过盈配合。T型臂纵梁和T型臂横梁上安装了奥贝球铁衬套，是为了安装转向杆和钢丝绳，从而起到列车通过曲线的作用。

T型臂的焊接质量要求按照EN15085标准执行，此部件认证等级为CL1级，焊缝质量等级为CP C2级。图2为T型臂组焊图。

1.2焊缝设计

结构主体和焊缝所受的静强度和疲劳强度直接影响焊缝应力等级、安全等级、质量等级、检验等级、焊缝缺欠等级，因此在设计的过程中需要按照EN15085标准来选择焊缝质量等级和设计动态负载部件形状以有效的降低残余拉伸应力，T型臂主要采用了双面HY坡口焊缝和角焊缝。

2 T型臂强度分析

2.1静强度评定方法

计算复杂应力构件时，需求当量应力（Von Mise应力），此应力不得超过许用应力。本计算静强度结果均采用当量应力表示，当量应力的计算公式为：

在超常载荷工况下，计算当量应力应小于所用材料的屈服许用应力，T型转臂的屈服许用应力依据DVS 1608《轨道车辆铝合金焊接结构设计及强度评估》进行确定。

2.2 疲劳强度评定方法

依据疲劳极限图对T型转臂进行疲劳强度评估。

结构产生疲劳裂纹的方向与最大主应力方向相互垂直，根据疲劳破坏的这个显著特点，将三向应力状态转化为单向应力状态，计算应力循环的平均应力和应力幅值，根据疲劳极限图进行结构疲劳强度评定。

将多轴应力状态向单轴应力转化的具体方法为：

1）确定结构在不同载荷工况下的主应力值和方向；

2）取所有载荷工况作用下结构的最大主应力方向为基本应力分布方向，其值为计算最大主应力 ，计算其与结构基准线（或计算模型整体坐标系的坐标轴线）的夹角 ，如图3-a所示；

3）将在其他载荷工况作用下的主应力投影到已确定的最大主应力方向上，其投影值最小的应力值确定为最小主应力 ，如图3-b所示；

4）由最大和最小主应力值计算平均应力 和应力幅 或应力比R，完成了多轴应力状态向单轴应力状态的转化。

3 T型臂有限元分析

3.1有限元模型及边界条件

T型转臂有限元计算模型采用Hypermesh进行网格划分，单元类型采用单元Solid 185，所有连接螺栓用beam 188单元替代，与车体螺栓连接处施加全位移约束，所受载荷主要有纵向和横向载荷，有限元模型约束、加载情况如图4。计算中将T型臂安装在转轴上，作为环境进行加载。

T型臂母材及焊缝屈服应力见表1所示。

在进行静强度计算时采用超常载荷工况，在进行疲劳强度计算是采用运营载荷工况。表2为超常载荷工况，表3为运营载荷工况。

以上数据为试验数据

3.2静强度评估

在超常载荷工况下，T型转臂计算当量应力分布云图如图5和6所示。

根据云图可知，超常载荷工况1下，最大应力处在母材处，为70MPa，超常载荷工况2下，最大应力处在母材处，为116MPa，均小于母材的许用应力125MPa。

3.3疲劳强度评估

根据2.2节所述的疲劳强度评定方法进行评估。根据上式1计算得出的平均应力 和应力幅 或应力比R，由修正的Goodman疲劳曲线确定相应的许用应力，根据计算出疲劳应力值和许用疲劳应力值之比得出焊缝的应力因数。依据DVS1608《轨道车辆铝合金焊接结构设计及强度评估》，作出T型臂疲劳计算应力点分布和疲劳极限图见图7所示。

根据计算结果，母材最大应力因数为0.822，焊缝最大应力因数为0.9，疲劳强度均满足设计要求。

4结语

T型臂的设计结构可以满足转向架带动车体通过曲线的要求，经强度计算，其满足使用要求。经过批量生产和应用考核，T型臂焊接结构合理，强度满足要求，焊接工艺简单，制造成本低，可批量应用于后续中低速磁浮列车生产中。

参考文献：

1.景松柏 王江花. EN15085焊接体系认证要求分析及应用[J]. 机车车辆工艺，2009（5）：26～29.

2.DVS1608-1983. 轨道车辆铝合金焊接结构设计及强度评估[S].

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