淺析CJ-1城際動車組司機蹬車門設計

李占一,張曉明

（長春軌道客車股份有限公司, 長春 130062）

1 前言

我國研究開發時速200 km/h～250 km/h經濟型城際列車，滿足城際間多點停靠、大啟動加速度、大運量、快速乘降的要求是中國高速鐵路快速發展和實施走出去戰略的需要。本文著重分析城際動車組司機蹬車門的安裝結構及其材質選用，為今后城際動車組蹬車門的設計研發奠定基礎。

2 車門簡介

CJ-1城際動車組車司機蹬車門為手動折頁門，整體吊裝方式為門框與側墻鋁結構預埋的鋼螺套與12個螺栓連接。整個門系統主要包括：門扇、折頁、門鎖、止擋裝置、整體門框，與門框集成一體的蹬車扶手。

3 技術參數

蹬車門系統的強度必須達到不會因在列車運行中所承受的空氣動力壓力、車輛加速、沖擊應力、旅客使用、行李沖擊、行李靠著門等任何作用在系統上的力，而造成永久變形和損壞的要求。應滿足車輛三個方向動態沖擊應力的要求要求，在x方向的動態沖擊應力為5g；在y方向的動態沖擊應力為1g；在z方向的動態沖擊應力為3g。

蹬車門系統應能夠承受2500N/m2的均布載荷，同時在門扇中央施加800N的集中載荷。門板四周變形最大變形量不大于1.5mm，永久變形量小于0.2mm。

蹬車門系統應能夠承受+/- 6000Pa空氣動力負載，以滿足兩輛列車以250Km/h駛過時空氣對門扇產生的應力。蹬車門系統應滿足20萬次交替負載，+/- 6000Pa疲勞載荷下，應保證：門系統各部件不發生塑性變形，應力值不大于材料的屈服極限[1]。

4 計算分析

為了分析司機蹬車門吊裝結構及安裝螺栓強度，分別計算預緊力工況及運營工況，對司機蹬車門螺栓連接部位建立實體接觸有限元模型，施加預緊力工況計算，并對整個吊裝結構建立殼單元有限元模型，以梁單元模擬螺栓，施加運營工況計算，并將兩工況下鋁結構螺栓孔周圍的最大應力合成得到總應力值；通過計算提取各個螺栓承受載荷，采用仿真分析和理論計算相結合的辦法對螺栓進行了校核[2]。

蹬車門整體吊裝結構有限元模型離散為33969個節點，35641個單元。

司機門框與鋁結構連接處M8螺栓預緊力為13000N。參照EN12663標準對該吊裝結構施加橫向（Z向）加速度，垂向（Y向）加速度和縱向（X向）加速度，并且車門表面承受±6000Pa氣壓，根據三個方向加速度及車門表面承受氣壓值組合了16種不同的載荷工況，如表1所示（根據以往經驗，表2只列顯載荷比較大的8中情況）。司機蹬車門吊裝結構所用材料性能如表2所示。

表1 運營載荷工況列表

6+3 g -1 g (1 + c)g -60007-3 g +1 g (1 + c)g -60008-3 g -1 g (1 + c)g -6000

表2 吊裝結構材料性能參數表

4.1 螺栓強度計算基本理論依據

4.1.1 螺栓總拉力計算

通常對于被聯接鋼板間所用墊片為金屬墊片或無墊片時螺栓的相對剛度Cb/(Cb+Cm)取值為0.2～0.3,本次計算 Cb/(Cb+Cm)=0.3 。

4.1.2 螺栓疲勞應力計算

并由此計算出相關參數應力幅。

4.1.3 承受工作剪力計算

當螺栓桿與孔壁發生接觸擠壓時螺栓桿與孔壁的擠壓強度及剪切強度計算

4.2 計算結論

根據EN12663標準，對司機蹬車門螺栓連接部位進行預緊力工況計算，并對整個吊裝結構進行十六種運營工況計算，計算結論如下：

（1）該吊裝結構中鋁結構在預緊力及16種運營工況組合下的最大應力值為159.362MPa，小于材料的屈服強度225MPa。

（2）該吊裝結構螺栓在16種工況下的最大拉應力為 493.73MPa，小于螺栓的最大拉伸許用應力700MPa，其安全系數為1.42，滿足強度設計要求。

（3）該吊裝結構螺栓在16種工況下的最大剪切應力為57.34MPa，小于螺栓的最大許用剪切應力,225MPa，其安全系數為3.92，滿足強度設計要求。

（4）該吊裝結構螺栓在16種工況下的最大擠壓應力為78.92MPa，小于螺栓的最大許用擠壓應力360MPa，其安全系數為4.56，滿足強度設計要求。

（5）該吊裝結構螺栓在五種工況下的最大疲勞應力幅為 2.49MPa，小于螺栓的最大疲勞許用應力180MPa，其安全系數為72.29，滿足強度設計要求。

[1]UIC 566-90，客車車體及其零部件的載荷[S].

[2]王勖成.有限元算法[M].北京:清華大學出版社，2003:2-3.