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中低速磁浮列车动应力测试分析

分类:应力应变测试    关键词:动应力测试

中低速磁浮交通系统是一种新型的轨道交通方式。中低速磁浮列车是中低速磁浮交通系统的核心,其结构形式、工作原理、受力方式等与传统轮轨交通车辆有很大的不同。为确保设计结构满足运行的要求,需对中低速磁浮列车进行动应力测试,分析其重点结构受力状况。

车辆结构简介

中低速磁浮列车采用全动车编组方式,车辆与车辆之间采用半永久牵引杆连接。每辆车安装5个转向架,每个转向架与车体之间安装2个纵向拉杆。每个转向架通过4个滑动台上的空气弹簧支撑车体,空气弹簧通过横向拉杆与转向架之间连接,转向架依靠电磁力与轨道保持无接触的悬浮状态。车辆端部2个转向架各安装一套转向机构。

转向架结构由铝合金挤压型材电机箱梁与铸造铝合金托臂组成,通过螺栓组合在一起形成一个模块,左右2个模块通过4组防侧滚梁及吊杆组成一个转向架系统。转向架的每个空气弹簧都与横向拉杆相连接。

车辆受力分析

中低速磁浮列车与轮轨列车的结构差异较大,受力情况较为复杂,主要受力情况分析如下:

纵向力。包括车辆与车辆之间通过半永久性牵引杆传递的力、通过纵向拉杆传递的车体与转向架之间的力、转向机构作用于钢丝绳的拉力、支撑滑块落地时与轨道产生的摩擦力等。

横向力。包括通过横向拉杆传递的空气弹簧与转向架之间的力、上下滑动台之间运动产生的阻力等。

垂向力。包括车辆作用于转向架上的垂向力、支撑滑块落地时轨道作用于转向架的冲击力等。

车辆正常运行或故障运行时,各种作用力相互作用和叠加,受力状态非常复杂,有时仿真计算并不能真实反映各个部位的受力情况。因此,为了研究中低速磁浮列车在实际线路运行中的受力状态,有必要通过实验手段对列车进行动载荷、动应力测试。

测试工况

动载荷、动应力测试主要是研究中低速磁浮列车在各种运行工况下关键部件所承受的载荷及结构关键部位的应力,为后续车辆的设计和改进提供技术支持。因此,试验前要对测试工况进行设计,测试工作在2辆编组的中低速磁浮列车上进行。

为尽可能多地获得测试数据进行比较分析,测试工况考虑了不同的线路情况、不同的运行速度、不同的载荷、不同的制动方式、不同的故障运行条件以及上述各种因素的组成情况。

线路情况包括:直线段运行、曲线段运行、坡道运行。

运行速度包括:列车启动并运行至20Km/h、40Km/h、60Km/h、80Km/h后制动停车。

载荷工况包括:AW0+AW3工况(头车空车重量+尾车超员重量)、AW3+AW3工况(头车超员重量+尾车超员重量)。

制动方式包括:常用制动、快速制动、紧急制动。

故障运行条件包括:利用支撑轮运行、单车牵引、悬浮掉单点、悬浮掉1个模块、悬浮掉1个转向架、落车等。

测点选取

动载荷测点包括:半永久性牵引杆、纵向拉杆、横向拉杆、转向钢丝绳。

动应力测点包括:转向架托臂、防侧滚梁等强度关键部位,共布置单向应变片9片、直角应变花3片。

数据标定

为测得半永久性牵引杆、纵向拉杆、横向拉杆上的力的大小,首先在实验室拉力试验机上对半永久性牵引杆、纵向拉杆、横向拉杆进行标定。应变片分别布置在上述各部件的中间部位的圆截面上下对称位置,在横向及周向分别布置单向应变片各1片。然后,在半永久性牵引杆、纵向拉杆、横向拉杆两端分别施加一定的载荷,获取载荷与应变的曲线,作为实车测试的分析依据。

动应力测试流程

仪器采用聚航科技生产的JHDY多通道动态应变仪,软件式操作、多功能测量。在进行磁浮列车线路运行测试时,将动态应变仪放置在被测试车辆内部,应变片通过导线与动态应变仪连接。每个工况分别测试3次并采集数据。各个工况的测试流程:1在车辆静止状态下动态应变仪清零;2在车辆启动、稳定速度运行、制动状态下,分别进行各工况动载荷、动应力测试;3车辆制动停止,测试结束。

下图显示了纵向拉杆在某一工况下的载荷-时间历程曲线,表明了纵向拉杆在这一工况下车辆从静止、启动、惰行、制动到停车过程中受力变化的情况。

中低速磁浮列车.png

数据处理及分析

通过对测试数据的处理和分析,得出相关部位的受力情况如下:

1. 纵向拉杆的最大拉伸载荷是21.8KN,出现在AW3+AW3工况,以60KM/h速度运行、悬浮掉1个转向架且施加常用制动时;最大压缩载荷为-49.4KN,出现在AW3+AW3工况、以60KM/h速度运行、悬浮掉1个模块且施加常用制动时。

2. 横向拉杆最大拉伸载荷为7.8KN,出现在AW0+AW3工况,以30KM/h速度通过R100m曲线且不落车施加紧急制动时;最大压缩载荷为-13.3KN,出现在AW0+AW3工况,以60KM/h速度运行、悬浮掉1个模块且施加常用制动时。

3. 转向钢丝绳的最大拉伸载荷为3.7KN,出现在AW3+AW3工况、以60Km/h速度运行时、悬浮掉1个转向架且施加常用制动时。

4. 半永久性牵引杆最大拉伸载荷为35.3KN,出现在AW3+AW3工况、单车牵引、以60Km/h速度运行、落车并施加紧急制动时;最大压缩载荷为-54.7KN,出现在AW0+AW3工况、以40Km/h速度运行、落车并施加紧急制动时。

5. 所有测点的最大应力为58.8MPa,出现在AW3+AW3工况,以60Km/h速度运行、悬浮掉1个转向架并施加常用制动时,测点在托臂外侧;所有测点的最小应力为-87.6MPa,出现AW0+AW3工况、以60Km/h速度运行、悬浮掉1个转向架且施加常用制动时,测点在托臂内侧。所测应力均低于材料的许用应力。

结论

1. 中低速磁浮列车转向架动应力测试结果及纵向拉杆、横向拉杆、半永久性牵引杆、转向钢丝绳动载荷测试结果表明:中低速磁浮列车转向架强度具有较大的安全余量;实验结束后,纵向拉杆、横向拉杆、半永久性牵引杆、钢丝绳状态完好。因此,转向架及拉杆等关键部件可以满足安全运行的需要。

2. 在故障情况下,纵向拉杆所受动载荷远大于计算分析施加的载荷,应在结构设计和计算时充分考虑这一因素。

3. 半永久性牵引杆最大压缩载荷仅为-54.7KN,而且波动较小,说明中低速磁浮列车的纵向冲动非常小,其乘坐的舒适性也很好。


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