段金兰
（武汉光谷现代有轨电车运营有限公司，湖北 武汉，430000）
摘要：基于弹性力学理论，以抗侧滚扭杆能够系统的受力状态和载荷分布为基础，建立抗侧滚扭杆系统的变形和应力计算模型，导出抗侧滚扭杆系统扭转刚度和强度计算公式。给出扭杆轴结构应力集中系数的计算方法、结构静强度和疲劳强度评估方法。与FE法相比, 二者的相对误差小于10%，文中方法简单, 易于参数化，能够显著提高分析计算效率。
关键词：轨道车辆；转向架；抗侧滚扭杆；刚度；强度；工程方法
Project method of stiffness and strength analysis about anti-rolling torsion bar of rail vehicle bogie
DUAN Jinlan
（Optics Valley Tram Operation Company，Wuhan，430000）
Abstract：Based on elastic mechanics theory, according to strained status and distribution of load, a physical model about calculating anti-rolling torsion bar deformation and stress is established, and the formulas of calculating anti-rolling torsion bar torsional stiffness and strength have been deduced. Methods for calculating stress concentration coefficient and structural static strength and fatigue strength evaluation have been showed. Compared with finite element method, the maximum relatively error between the two is less than 10%. The method is simple, easy to parameterize, and can significantly improve the efficiency of analysis and calculation.
Key words：Rail vehicle；Bogie；Anti-rolling torsion bar；stiffness；strength；project method
1 引言
为了改善轨道车辆的乘坐舒适度，提高车体的抗侧滚能力，需在轨道车辆车体与转向架间布置抗侧滚系统。抗侧滚扭杆系统具有结构简单、质量轻、制造安装方便和能够提供足够扭转刚度的优点，在轨道车辆转向架中得到广泛应用。在轨道车辆的运行中，由于车体的侧滚运动，合理地选择抗侧滚扭杆系统的扭杆刚度能够保证轨道车辆的舒适度，同时引起抗侧滚扭杆系统的扭杆轴主要承担交变的扭转剪应力，致使其为抗侧滚扭杆系统疲劳失效的薄弱环节[1]。
随着计算机技术的飞速发展，FE方法在工程结构分析中得到普遍应用，对抗侧滚扭杆系统扭转刚度和扭杆轴的强度分析主要采用FE方法[1-10]，即使弹性力学方法，在计算扭杆轴的扭转角时，对扭杆轴的变截面区域进行了简化计算[4]，在扭杆轴截面过渡区域未考虑结构截面变化引起的应力集中效应[10]，致使计算结果与实际情况有所差异。与弹性力学方法相比，对变截面的扭杆轴结构， FE方法存在建模效率低、扭臂与扭杆轴采用过盈配合连接的计算成本高和不利于扭杆轴结构参数化的缺点。为此，研究抗侧滚扭杆系统扭转刚度和扭杆轴强度分析的简单、快速和有效的工程方法，可以显著缩短抗侧滚扭杆系统的设计周期和降低工程技术人员的分析成本。
在抗侧滚扭杆系统中，扭杆轴的工作应力由弯曲应力和扭转剪应力组成，根据弹性力学理论和DIN EN 13103-1标准[11]，对于承担弯扭组合载荷的回转类承载结构，其强度评估的工作应力应该为基于第三强度理论的等效应力和扭转剪应力分别评估。但是，在现有公开发表的技术文献中[1-10]，均采用基于第四强度理论的Von Mises等效应力，未对扭转剪应力进行评估，其评估方法存在一定的缺陷，不利于分析扭杆轴疲劳失效的机理。
因此，分析研究一种简单、快速、高效、准确和计算精度高的抗侧滚扭杆系统的扭转刚度和扭杆轴的结构强度具有重要的工程实践意义。