摘  要：分析了地铁ＡＴＣ天线安装支架焊缝出现开裂和动应力较大现象的主要影响因素。采取改进设计ＡＴＣ天线安装支架结构的方式，降低焊缝区域应力，提高ＡＴＣ天线安装支架疲劳寿命。运用ＡＮＳＹＳ进行了静强度和疲劳强度计算，根据静强度应力云图和疲劳强度Ｇｏｏｄｍａｎ曲线进行对比分析。分析结果表明：在同样加载条件下，改进后的ＡＴＣ天线安装支架焊缝出现开裂和动应力较大处的最大应力大为改善。

关键词：ＡＴＣ天线安装支架；改进设计；静强度；疲劳强度

 

      地铁车辆的ＡＴＣ（自动列车控制）天线设在车司机室端的转向架端部，地铁车辆系统要求ＡＴＣ天线的中心位于钢轨中心的正上方，且对ＡＴＣ天线最低点距轨面及与车辆第一轴之间的距 离均有严格要求^［１］，故ＡＴＣ天线安装支架需设计成悬臂结构。ＡＴＣ天线安装方式示意图如图１所示。

      在运行过程中，ＡＴＣ天线安装支架受到天线安装支架及天线设备本身的静态重力及构架端部较大的动态冲击力的作用，且车辆不断承受过弯道时由轨道扭曲带来的较大扭矩，这使其在车辆运行过程中受力状况较为恶劣。这两种原因造成ＡＴＣ天线安装支架焊缝出现了开裂和动应力较大现象。考虑到第一种因素是为了满足车辆系统本身需求而造成的，故无法避免，因此，本文主要考虑第二种因素对ＡＴＣ天线安装支架的影响，从而对其结构进行改进设计，并进行静强度、疲劳强度和疲劳寿命对比分析

 

      天线安装支架主要由安装座、安装梁、运载板和ＡＴＣ天线组成，其结构模型如图２所示。

      在运营过程中，图２中ＡＴＣ天线安装支架的安装座与安装梁焊缝易出现开裂现象，同时，经现场测试，还发现在运载板与安装梁处的焊缝出现了动应力较大的现象，因此对该ＡＴＣ天线安装支架结构及运营情况进行综合分析得出：安装座与安装梁焊缝处出现的开裂现象主要是因为车辆过弯道时轨道扭曲带来的较大扭矩而造成；运载板与安装梁焊缝处出现的较大动应力主要是由运载板不对称造成。基于以上原因，对原ＡＴＣ天线安装支架结构进行了如下改进设计^［２］：

      （１）在安装座与安装梁连接处采用橡胶弹性套管结构，以缓解车辆过弯道时由轨道扭曲带来的较大扭矩。

      （２）将运载板设计成对称结构，以缓解由于不对称结构带来的附加力矩。

      改进设计后的ＡＴＣ天线安装支架主要由安装座、支架、安装梁、运载板和橡胶弹性套管组成，如图３所示。

      ＡＴＣ天线安装支架安装在转向架端部，为了更准确地计算，截取一部分构架作为有限元计算模型。利用ＡＮＳＹＳ有限元^［３］软件进行了单元材料定义、网格划分，建立的天线安装支架模型分别如图４（ａ）、图４（ｂ）所示。

      ＡＴＣ天线安装支架的材料为１６ ＭｎＤＲ，其基本计算参数见表１，计算得出的ＡＴＣ天线安装支架施加载荷见表２。

      ＡＴＣ天线安装支架主要载荷^［４］有天线安装支架和天线设备本身静态重力、运行时动态冲击力（垂向载荷、横向载荷和纵向载荷）和车辆在过弯道时由轨道扭曲带来的扭矩。本文考虑两种计算工况：①模拟异常载荷和１０‰轨道扭曲时构架侧梁端部位移组合工况；②模拟常用载荷和５‰轨道扭曲时构架侧梁端部位移组合工况。根据前面的有限元计算模型和计算载荷，运用ＡＮＳＹＳ有限元软件对上述两种工况进行了计算。

      （１）静强度：改进后的天线安装支架方案与原方案应力云图对比如图５、图６所示。

      工况１中原结构运载板与安装梁和安装座与安装梁处焊缝的最大应力分别为２１６．４ ＭＰａ和９０．６ＭＰａ，改进后分别为４８．６ＭＰａ和２０．２ＭＰａ，改进后与改进前相比，最大应力分别下降了７７．６％和７７．８％；工况２中原结构运载板与安装梁及安装座与安装梁处的焊缝的最大应力分别为１３０．０８ ＭＰａ和６０．５ＭＰａ，改进后的最大应力分别为４０．３ ＭＰａ和２０．３ＭＰａ，改进后与改进前相比，最大应力分别下降６９．１％和６６．５％。

      （２）疲劳强度：根据疲劳强度评定方法，考虑常用载荷与５‰轨道扭曲组合工况，选取计算结果中具有代表性的节点计算出在两个工况下第一主应力的最大值和第三主应力的最小值，按式（１）和式（２）计算出各点平均应力及应力幅：

      将各节点平均应力及σ_３ｍｉｎ、σ_１ｍａｘ值点入Ｇｏｏｄｍａｎ曲线进行疲劳强度评估，疲劳强度评定Ｇｏｏｄｍａｎ图分别如图７和图８所示。

      由图７和图８分析知，两种方案上全部点都落在Ｇｏｏｄｍａｎ焊缝及母材疲劳极限曲线内，但改进后方案的最大应力值要远远小于原方案，且改进后的最大应力值都转移到母材上。考虑到焊缝的抗疲劳强度远比母材要差得多，并且还受焊接质量等因素的影响，所以改进后方案的疲劳强度要大大优于原方案。

 

      综合考虑了地铁ＡＴＣ天线安装支架受力状况，对原ＡＴＣ天线安装支架进行了改进设计，大大改善了安装座与安装梁处的焊缝开裂及运载板与安装梁处的焊缝动应力较大现象。采用ＡＮＳＹＳ有限元软件进行了静强度和疲劳强度计算，对静强度应力云图和疲劳强度Ｇｏｏｄｍａｎ曲线进行了对比分析。结果表明：在同样加载条件下，改进后与改进前相比，运载板与安装梁和安装座与安装梁处焊缝的最大应力分别下降了７７．６％和７７．８％，满足了强度要求。

 

［１］　严隽耄．车辆工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００４．

［２］　成大先．机械设计手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００２．

［３］　宋志安，于涛，李红艳．机械结构有限元分析———ＡＮＳＹＳ与ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ工程应用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２０１０．

［４］　杨化仁，郭晓光．焊接结构疲劳强度理论［Ｍ］．沈阳：东北大学出版社，２００２．