HXD2型電力機車新型重聯渡板設計

李德偉， 張江田， 李幸人， 李立山

(中車大同電力機車有限公司， 山西大同 037038)

隨著軌道交通事業的快速發展，用戶對電力機車的功能性和安全性的要求日益提高。HXD2型八軸電力機車的重聯渡板安裝在電力機車的后端部，是兩節機車之間重聯的重要部件，司乘人員通過重聯渡板可以在機車正常運行的過程中，在兩節機車之間安全的通行。由于八軸電力機車有解編的要求，所以重聯渡板的設計既要考慮在兩節機車中間形成一個安全通道，還要能夠快速分離從而實現電力機車的快速的解編，另外重聯渡板的狀態要隨著兩節機車的相對運動而不斷改變，所以其結構設計一直是電力機車設計中的一個難點。

到目前為止，在國內線路上運行的八軸電力機車的重聯渡板使用情況一直不盡如人意，許多用戶都提出八軸電力機車上使用的重聯渡板外觀不夠美觀、故障率高且存在一定的安全隱患等問題。湖東機務段的苗樹東提到2014年1月至4月八軸電力機車重聯渡板發生碰撞變形53次[1]，湖東機務段的張志峰也提到八軸電力機車在2年檢時發現渡板發生多次碰撞變形[2]。很多專家也意識到重聯渡板存在這些問題，也開展了很多研究工作，中車株洲電力機車有限公司(簡稱：中車株機公司)的王璐科對重聯渡板發生變形的現象進行了研究，通過對重聯渡板的結構優化、改造，降低渡板的碰撞概率[3]，中車株機公司的何俊通過對重聯渡板的運動仿真提出了優化渡板外形，被動的避免渡板碰撞的方案和設計新型結構渡板主動避免渡板碰撞兩種方案[4]，而中車株機公司的李明明[5]和中車大連機車車輛有限公司(簡稱：中車大連公司)的杜慧勇[6]都采用設計新型結構的渡板來避免渡板碰撞問題，同時提升渡板的美觀性和安全性。以上專家在解決八軸機車重聯渡板的問題上都取得了一定了進展，但到目前為止還沒有一個完美的方案徹底解決重聯渡板的問題。文中在其他專家對渡板研究的基礎上，設計了一種全新的重聯渡板結構，在提升的重聯渡板的美觀性和安全性的同時，解決八軸電力重聯渡板碰撞等故障問題。

1　新型重聯渡板結構設計

1.1　新型渡板結構

通過對重聯渡板的特點和功能分析研究，設計出一種新型的重聯渡板，新型重聯渡板包括固定支撐座、活動渡板裝置、固定渡板和自動復位彈簧運動機構和垂向彈簧穩定裝置5個部分組成，其主要核心部分是采用可伸縮、傾斜并靠支撐彈簧自動復位的活動機構和垂向彈簧穩定裝置，當機車在啟動、加速、減速、轉彎、上下坡時，隨著兩節機車之間的縱向、橫向和垂向距離增大或減小，此時連接在機車后端的重聯渡板會通過彈簧機構以及垂向彈簧穩定機構跟隨機車運動并自動復位，以保證機車正常運行。新型渡板的結構如圖1所示。

1-固定支撐座；2-固定渡板；3-垂向彈簧穩定裝置；4-活動渡板裝置；5-自動復位彈簧運動機構。圖1　新型重聯渡板結構

新型渡板的參數設計時根據HXD2型電力機車的技術參數要求設計的，與目前HXD2型電力機車上使用的重聯渡板接口一致，可以相互替換，并且新型渡板的參數設定可以滿足機車在運行過程各種極限條件工況下的渡板正常使用。

1.2　新型重聯渡板的功能參數(見表1)

表1　新型渡板功能參數

1.3　新型重聯渡板的功能描述

固定渡板是通過螺栓連接到渡板安裝座上，渡板安裝座通過螺栓連接到機車鋼結構上，固定渡板采用不銹鋼材料，與車體連接的周邊鑲嵌密封條，用以保證密封性。活動渡板采用不銹鋼材料，主要結構特點是通過彈簧結構與固定渡板連接，兩節機車的活動渡板通過彈簧機構擠壓，形成一個完整的過道。由于機車運行時，兩節連掛的機車總是在不停的壓縮或者拉伸，通過彈簧機構，活動渡板實現拉伸、壓縮、偏移，保證了機車在運行過程中渡板始終保持一個完整通道供司乘人員通行。

自動復位彈簧運動機構的導向桿安裝在下固定渡板的導向管中，這樣限制了彈簧機構帶動活動渡板只能縱向移動，而彈簧機構的前端通過一個滑動桿安裝在活動渡板上的滑動槽中，活動渡板在受力時就會沿著滑動槽橫向滑動，當機車在轉彎時，兩個彈簧機構的彈簧受到的力不同，從而兩個彈簧的壓縮量就不同，活動渡板就會一邊沿著彈簧的壓縮方向縱向移動，一邊順著滑動槽的方向橫向移動，從而實現了活動渡板橫向和縱向的運動組合。

兩節機車上的活動渡板在彈簧機構彈簧的壓力組成一條完整的渡板，兩個活動渡板并非完全相同，在其中一個活動渡板上裝有可活動的圓鋼球，圓鋼球突出活動渡板接觸面2 mm，兩個活動渡板在彈簧的壓力下，相互接觸，由于有圓鋼球的存在，使兩個活動渡板由面-面接觸變成了點-面的接觸，當機車轉彎時，兩個活動渡板相互滑動，由滑動摩擦變為了滾動摩擦，從而大大降低了摩擦噪聲。 垂向彈簧穩定機構的圓柱與活動渡板連接在一起，穿過下固定渡板，通過彈簧的彈力將活動渡板和下固定渡板壓在一起，當機車運行時，活動渡板和固定渡板之間有相對運動時，通過垂向彈簧穩定機構可以保證活動渡板和固定渡板始終平行。功能描述見圖2。

2　新型重聯渡板的仿真及試驗驗證

2.1　新型重聯渡板有限元分析

為了驗證新型重聯的安全性，對新型重聯渡板應用有限元分析軟件進行了強度校核和變形分析仿真計算。在活動渡板面上任意位置施加200 kg質量的垂向載荷，計算結果表明渡板裝置最大等效應力為154 MPa，最大變形量為2 mm。而渡板的材料為Q235A，其許用應力值為235 MPa，故安全系數在1.5以上，滿足強度要求，具體結果見圖3。

圖2　新型渡板功能圖

圖3　新型渡板強度校核及變形分析

2.2　新型重聯渡板運動模擬分析

機車運行過程中，隨著線路的改變，重聯渡板是隨著機車的運行而活動，為了保證渡板可以安全可靠的使用，應用CATIA的DMU運動模擬仿真模塊，將新型渡板的三維模型轉化為數字樣機，依據機械運動關系，建立各個部件之間的運動機構，實現運動模擬及分析。根據HXD2機車的招標要求，機車能以5 km/h的速度安全通過R125曲線，并能在R250的曲線上進行正常的摘掛作業，并考慮HXD2機車緩沖器壓縮行程為83 mm，設定了機車在6種運動情況下的渡板運動狀態，見表2。

表2　機車6種運動極限狀態

通過CATIA軟件的DMU模塊模擬其運動情況，對新型渡板進行運動仿真分析，結果見圖4。圖中依次展現了機車在6種運動狀態下的新型渡板的極限狀態，通過DMU模擬，可以發現在各種極限狀態下，渡板之間、渡板與機車之間無碰撞發生，且其運動機構工作狀態良好。結果表明新型渡板可以安全可靠的使用。

圖4　新型渡板運動仿真分析結果

2.3　新型重聯渡板裝車運行試驗

為了進一步的驗證新型渡板的性能，對新型渡板在HXD2型機車上進行了裝車運行試驗，分別對新型渡板進行了靜態和動態的試驗。新型渡板在HXD2 1275號車上進行試驗，渡板安裝座與車體接口配合良好，安裝完畢后進行靜態試驗，檢查渡板與車體之間不存在干涉，渡板承載能力良好，與原渡板相比較，減少了渡板與車體之間的間隙，渡板的外觀狀態有提升，靜態試驗結果總體效果良好。同時進行了新型渡板動態試驗，觀察了機車從連掛開始到運行速度達到正常速度，以及通過道岔、過小半徑曲線等各種工況，并記錄了渡板的運動狀態，試驗結果表明在機車連掛、解鉤、加速、減速、過曲

線等工況下，渡板均能隨著機車的運動而拉伸、壓縮、旋轉以及自動復位，渡板穩定的形成一個安全穩定的通道，動態試驗效果良好。

圖5　新型渡板裝車試驗照片

3　結束語

對HXD2電力機車的重聯渡板進行了全新的設計，新型渡板的功能參數滿足電力機車使用的條件，其強度校核及運動仿真都能滿足使用要求，且裝車運行試驗結果良好，與國內鐵路上運行的現車使用的渡板相比較，安全性、美觀性都有大幅度的提升，并且徹底解決現車上使用的重聯渡板發生碰撞變形的問題，達到在HXD2型電力機車上批量的應用的條件。