軌道車輛轉向架結構強度分析

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軌道車輛轉向架結構強度分析

2012 / 01 / 12

車輛研究測試中心技術服務處工程分析中心張祐誠

由於都市化的發展與節能減碳的趨勢，中高運輸量的大眾捷運系統與高速化的鐵路系統需求日益增加，已成為社會大眾不可或缺的重要交通工具。由於軌道車輛之車速高且載客量大，因此如何確保軌道車輛設計的安全性，更是當今重要的議題。有鑒於軌道車輛高安全性的要求，國際鐵路聯盟為各型鐵路車輛按車輪與車軸排列方式而制定「UIC標準」，其標準涵蓋收費、貨運、維修、檢查及設計等，歷史悠久的歐洲鐵路系統，即以此為驗證標準。

一般而言，軌道車輛之車體結構由上至下主要由車廂、底板與轉向架所組成，如圖1。其中轉向架承載著車廂與底板，並安裝有懸吊、動力與煞車等多個重要系統，故轉向架結構強度的設計尤其重要。以下即以轉向架為例說明。

圖1 軌道車輛之整體結構示意圖

圖2 軌道車輛之轉向架結構示意圖

轉向架結構係由兩左右對稱之側樑與中間橫置之主樑所組成，連接處則以電焊焊接而成，如圖2。在設計轉向架的過程中，該如何確認轉向架的安全性？國際鐵路聯盟制定的「UIC615-4電力動力車：轉向架構架的結構強度試驗」，對於轉向架之負載有明確的量化定義。在轉向架諸多的負載狀況中，最基本的一項負載來源為車廂重量、乘客重量與行李重量，UIC615-4將這些負載分為垂向負載與橫向負載，如表1，轉向架之負載施加與結構固定方式，如圖3。

表1 轉向架基本負載組合表

圖3 轉向架之負載施加與結構固定方式示意圖

透過電腦輔助工程分析軟體，可將轉向架之幾何形狀、材料特性、阻尼與彈簧、固定條件及負載情況等要素輸入電腦，建立虛擬的數值分析模型後，再據以計算出轉向架之結構應力。圖4~6為電腦輔助分析軟體模擬計算後，所繪出之轉向架受橫向負載、垂向負載，以及橫向+垂向負載應力分佈圖，藉由應力分佈之位置與大小，設計者可以確認轉向架之強度是否足夠，若未達設計要求，亦可依據分析結果快速找出有效的設計改良方案，加強結構設計不足之處。