動車組外風擋開發應用研究

中國中車株洲電力機車有限公司 張 坤 孟令鋒 陳躍忠

動車組外風擋開發應用研究

中國中車株洲電力機車有限公司 張 坤 孟令鋒 陳躍忠

動車組外風擋安裝在車輛中間貫通道連接處，主要功能為改善車輛外觀，優化車輛空氣動力學，降低車輛運行阻力和風噪。目前，國內動車組外風擋主要采用國外產品，存在采購維護成本高、供貨周期長、技術響應慢等問題。本文研究動車組U型外風擋的設計與開發技術，探討外風擋的設計流程。本文所設計開發的外風擋各項性能指標均滿足車輛外形要求和曲線通過能力要求，并已在動車組項目中得到應用。

動車組；外風擋；結構設計；橡膠膠囊

1.前言

我國鐵路沿線風環境復雜多變，對動車組運行安全產生嚴重威脅［1，2］。風擋結構在動車組連掛和運行中起著非常重要的作用［3，4］。高速動車組的風擋分為外風擋和內風擋兩部分［5］，其中外風擋安裝在車輛中間貫通道連接處，主要功能為改善車輛外觀，優化車輛空氣動力學，降低車輛運行阻力和風噪，已成為國內外動車組的標準配置。

目前，國內動車組外風擋主要采用國外產品，存在采購維護成本高、供貨周期長、技術響應慢等問題。因此，有必要設計開發國產化的外風擋產品，擺脫國外供應商的制約，進而降低采購成本。本文研究動車組U型外風擋的設計與開發技術，探討外風擋的設計流程，助力于國內動車組外風擋產品的國產化。

2.動車組外風擋總體結構設計

根據動車組項目需求所設計的U型外風擋結構如圖1所示，其主要由橡膠膠囊、安裝骨架、內外壓條以及緊固件等組成。

圖1　動車組U型外風擋總體結構示意圖

2.1外風擋尺寸的初步設計

根據兩車車端距為920mm，外風擋安裝距離595mm。即可確定出外風擋高度＞300mm，結合其外觀，美觀要求及膠囊的硬度，確定外風擋高度為307mm。另外，由車體外墻面、車體端墻外側確定外風擋長度與寬度分別為2685mm、237mm。

2.2橡膠膠囊的設計

膠囊為橡膠材料，采用整體模壓硫化方式，保證橡膠的材料性能，同時為確保整體美觀，橡膠表面噴涂特殊彈性油漆。其高度根據滿足機車運行條件下車端面對橡膠產生的擠壓量設計而成。實現一定強度下的壓縮，保證機車在停止狀態時膠囊外形直挺美觀，外風擋與車體面安裝方便，且不影響整體美觀。

2.3安裝骨架的設計

車體安裝骨架承載兩種功能：一是將外風擋和車端相連，二是將橡膠膠囊固定。考慮到重量和強度要求，其主體部分的材質將采用鋁型材6005A-T6。同時考慮車體上的安裝接口形式，則在其上應設計相應的帶安裝孔的連接板。連接板和主體部分將進行焊接。

2.4內外壓條的設計

壓條主要解決橡膠膠囊的壓緊固定問題。其材質也將采用鋁型材6005A-T6，便于成型，其外型將和安裝框架大體一致。

3.動車組外風擋應力分析

本節通過ANSYS軟件對動車組外風擋進行應力分析［6］。對動車組結構分析可知，其左右兩側外風擋結構一致，且其安裝形式類似，故其受力狀態也是一致的。故選其中一個安裝骨架進行應力分析即可。安裝骨架采用6061-T6鋁型材，其極限抗拉強度為124 Mpa，屈服強度 55.2 MPa，延伸率25.0 %，彈性系數68.9 GPa，彎曲極限強度228 Mpa，泊松比0.33，具備良好的力學性能。

模擬外風擋實際工況，對外風擋安裝骨架施加向下的作用力，作用力大小由橡膠膠囊重量及其受力狀況決定，考慮一定安全系數，估取作用力大小為500N。

通過仿真可得出外風擋安裝骨架最大應力為3.3Mpa，遠小于其屈服極限，最大位移為0.0053mm，不影響其使用要求。由此可知，兩側外風擋安裝骨架完全滿足使用要求。

4.動車組外風擋位移試驗

本節通過位移試驗對初步設計的外風擋尺寸進行驗證。外風擋的尺寸應滿足如下要求，即動車組在其運行線路上極限位置時膠囊不產生縫隙或損壞以及其他金屬件不產生干涉或噪音。

動車組運行時的極限位置定義如圖2-3所示：

圖2　極限工況1

圖3　極限工況2

針對本文設計及開發的外風擋樣機產品所得到的試驗結果如圖4-5所示：

圖4　極限工況1—試驗結果

圖5　極限工況2—試驗結果

試驗結果表明動車組在其運行極限位置時膠囊不會產生縫隙或損壞，同時其他金屬件也沒有產生干涉或噪音，即所設計的外風擋尺寸滿足動車組項目要求。

5.總結

本文根據動車組項目需求設計開發了一種U型外風擋，其主要由橡膠膠囊、安裝骨架、內外壓條以及緊固件等組成。通過應力分析與極限位移試驗驗證了外風擋尺寸以及選材的合理性。本文所設計開發的外風擋滿足車輛在運行過程通過曲線時無干涉，無自毀的能力，不影響車輛連掛、車輛車端的相對運動及貫通道的自由運動，另外列車交匯和通過隧道時不會發生損害或永久變形。目前，本文所設計開發的外風擋已通過動車組項目驗收，并已安裝于長株潭城際動車組T01列車上。

［1］馬淑紅，馬韞娟，李建群，等.京津城際CRH3動車組大風天氣條件下安全行車技術標準參數研究［J］.鐵道技術監督，2009，37（2）：7-9.

［2］葛盛昌，蔣富強.蘭新鐵路強風地區風沙成因及擋風墻防風效果分析［J］.鐵道工程學報，2009（05）：1-4.

［3］歐陽黎健，劉豐芹.風擋在機車車輛上的應用［J］.電力機車與城軌車輛，2008，31（2）：46-48.

［4］劉宏友.高速列車中的關鍵動力學問題研究［J］.中國鐵道科學，2004（1）：136-138.

［5］張寶祥，袁彩霞，高軍.高速動車組外風擋橡膠的涂裝工藝［J］.現代涂料與涂裝，2011，14（9）：54-56.

［6］劉濤. 精通ANSYS［M］.清華大學出版社，2002.