跨座式单轨车利用橡胶轮胎在单根轨道梁上起支承、稳定和导向作用, 车体骑跨在轨道梁上运行的轨道交通, 与其它轨道交通系统 (地铁、轻轨等) 具有较大差异。本文就单轨车受电弓四个高度位置受力情况进行有限元分析, 确定最大应力出现部位和分布状况, 为该受电弓在国产化过程中结构优化设计提供相关参考数据。
1 单轨车受电弓受力分析
单轨车受电弓独特的设计使其具有较宽的工作高度范围 (160 mm-300 mm) , 本文分析受电弓处于4个位置时的受力情况, 其中有三个工作位置 (H300 mm最高工作位置、H230 mm正常工作位置、H300 mm最低工作位置) 和一个折叠状态位置H110mm。不同工作位置时受电弓结构特征是有区别的, 如表1所示。不同高度位置受电弓三维实体模型见图1。
受电弓承受接触压力部位是弓头滑板处, 接触压力的大小由主弹簧提供, 当受电弓处于不同工作高度时各杆件结构特征 (各杆件之间夹角也不同) 在发生变化, 此时主弹簧所提供的接触压力也在发生变化, 这是一变接触压力和变结构特征的耦合力学分析。经测量得出受电弓在不同工作位置时不同接触点压力值如表2所示。并且表中各接触压力均在受电弓标准接触压力44N～78N范围内, 符合要求。
2 单轨车受电弓有限元分析计算
2.1 UG高级仿真模块三大优势
(1) 在UG中建模后直接进入高级仿真模块进行受力分析, 不必将模型导入导出, 可以避免模型数据丢失以及产生的错误和警告, 保证了模型的完整性和一致性。 (2) UG特有的网格配对条件功能可以使受电弓装配体各部件之间接触面的网格节点很好地重合, 使两接触面上共节点, 保证了有限元模拟过程中力或力矩传递的完整性和真实性。 (3) UG自动网格生成器可以快速有效地划分有限元网格, 其快速、精确、高质量的划分技术有时也超过了一些专业网格划分软件, 可以大大节省前处理时间。
2.2 受电弓有限元模型
有限元分析过程一般包括前处理 (简化模型、网格划分、指定材料属性、添加载荷和约束边界条件等) 、计算机求解、后处理 (查看分析结果) 三大步骤。本文四个高度位置的受电弓有限元模型前处理具体情况见表3。例如H230mm受电弓的网格模型和有限元模型见图2和图3。
2.3 受电弓应力计算
(1) 受电弓等效应力 (Von mises) 分析。4个不同位置受电弓等效应力值分布情况基本相同, 最大等效应力值对应4个位置分别为:31.35 MPa、43.14 MPa、61.80 MPa、68.21 MPa, 基本上出现在相同位置:上框架轴承架附近的偏心销钉处 (图中箭头所指) , 如4图所示。图4中为了便于观察结果将H230mm受电弓的平衡杆和连接杆隐藏, 看见色标对应红色区域在偏心销钉处。 (2) 受电弓剪切应力 (Max shear) 分析。4个不同位置受电弓剪切应力值分布情况也基本相同, 最大剪切应力值对应4个位置分别为:17.81 MPa、24.84 MPa、35.59 MPa、39.37 MPa, 并且也出现在相同位置上偏心销钉处, 如图5所示。为了便于观察结果将H230mm受电弓的上框架、平衡杆和连接杆隐藏, 可见色标对应红色区域最大剪切应力值在偏心销钉处。
3 有限元计算结果分析
3.1 受电弓4个位置等效应力、剪切应力和变形量的情况见表4。由表中数据可得出受电弓整体应力值较低, 均未超过材料A356许用应力极限275 MPa (N/mm2) , 此结构下静力分析是安全的。由分析结果可得出应力集中部位在上框架轴承架附近的偏心销钉处, 此销钉主要负责连接上框架、平衡杆、连接杆三者, 结构和受力较复杂, 相对于其它地方更易发生破坏。
3.2 从表5.3中受电弓在不同位置承受不同接触压力下变形情况来看, 受电弓绝大部分区域变形很小, 仅有弓头发生0.2699mm～0.4185 mm的最大变形量。本来弓头为适应单轨车轨道变化就具有一定的摆动和随动性, 这样能更好地跟接触网接触受电, 所以适当的位移量是允许的。
3.3 受电弓4个位置的最大等效应力、最大剪切应力、最大变形量与接触压力、工作高度之间的关系如图7所示。
4 总结
采用UG软件建立了不同工作高度受电弓的三维实体模型和有限元模型, 并针对受电弓在不同高度位置承受不同接触压力情况下的应力应变分布以及变形量大小进行有限元分析计算, 该计算结果对受电弓断裂失效分析及国产化优化设计有一定的参考价值。
摘要：本文应用CAD/CAM/CAE集成软件UG建立该受电弓的三维实体模型和有限元模型, 针对受电弓在不同工作高度位置下承受不同接触压力进行有限元分析计算, 得出受电弓的最大等效应力、最大剪切应力、最大变形量与接触压力、工作高度之间的关系以及应力集中部位, 为单轨车受电弓断裂失效分析及国产化提供了结构优化依据。
关键词：单轨车,受电弓,UG,有限元模型,受力分析
参考文献
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