一種動車組牽緩結構設計

王少君　張海波

摘 要：本文介紹了一種動車組牽緩結構，對牽緩結構設計背景進行了介紹，對牽緩結構各部件結構進行了詳細介紹，并通過計算驗證和試驗驗證證明所設計的牽緩結構滿足設計要求。

關鍵詞：動車組;牽緩結構;防爬器;排障器;驗證

0 引言

近些年，隨著軌道車輛的發展，用戶對動車組車輛的要求越來越高，如外觀、舒適性、智能化、安全性等，導致車輛的設備也越來越多，特別是在車輛頭車前端，但車輛長度并沒有隨之增加，致使車頭位置設備安裝困難，如開閉機構、信號設備、車鉤、防爬器、排障器、制動系統等。某動車組基于車頭短，車頭位置安裝設備多等因素所全新設計的牽緩結構。

1 牽緩結構設計難點

1）根據標準及總體布置要求，車頭短，且安裝的設備多，使得車頭空間緊張。

2）底架地板面、車鉤安裝面、防爬吸能設備安裝面距軌面高度接近，車鉤、防爬器安裝與地板干涉。

3）前端設備重，軸重不平衡，對車體部件輕量化要求高，如車體、排障器、防爬器等。

4）車輛編組大，列車質量重，滿足碰撞所需要吸收的能量大，吸能裝置配置高，對車體強度要求高。

5）因車頭位置設備多，且排障器承載要求高，排障器安裝困難。

6）車體結構疲勞采用DVS 1608進行評估，評價更苛刻，對車體結構設計要求更高。

2 牽緩結構簡介

牽緩結構主要由大型中空的鋁型材焊接而成，以輕量化設計，并減少焊縫，減小焊接變形。本項目的牽緩結構由牽引梁、地板、緩沖梁、邊梁等部件組成，如圖1所示。

牽緩結構主要材質為EN AW 6005A-T6，承載大的部件，如車鉤安裝位置型材和防爬器安裝型材采用EN AW 6082-T6。

2.1 牽緩結構傳力路徑布局

在方案設計階段，首先根據結構需求，對牽緩所涉及的載荷進行布局。對于牽緩結構主要是車鉤和防爬器對車體所產生的縱向力，如圖2，車鉤縱向壓縮及拉伸力大部分通過牽引梁傳遞至緩沖梁和邊梁，以至傳遞枕梁以及整個底架，同時還有一部分力通過司機室立柱傳遞到頂蓋邊梁及側墻;防爬器在發生碰撞時，防爬器對車體產生的縱向力大部分通過防爬器安裝座傳遞到底架邊梁、緩沖梁及后部加強梁，另外一部分力同車鉤力一樣傳遞到底架上部。

2.2 牽引梁結構設計

頭車牽引梁用來傳遞車鉤縱向力（列車重聯運營、救援等），是重要的受力部件。一般牽引梁結構采用厚板焊接或較厚的型材焊接而成，結構重，焊接量極大。

本項目的牽引梁由多塊中空的擠壓型材橫向拼接而成，牽引梁兩側與邊梁焊接，前端與防爬器安裝型材焊接，后端與緩沖梁焊接。牽引梁設計盡量減少型材數量，以降低型材開模數量，節省成本。本項目牽引梁采用三種型材斷面六件型材組成，均采用厚度較薄的中空鋁型材結構，并輕量化設計，且減小焊接量。

牽引梁型材在前端縱向伸出一定的長度，與防爬器安裝型材在縱向位置設置焊縫，使受力位置為母材結構，避免焊縫承受主要載荷，也減少焊縫數量，便于牽引梁和防爬器安裝梁的平面度與垂直度的控制。牽引梁型材在前端伸出的部分設置一定的角度，可以保證車鉤的橫向擺動所需要空間，也便于防爬器力的傳遞，同時盡量減小防爬器安裝梁的設計。

同樣，與緩沖梁連接的位置，牽引梁伸出一部分結構，便于將較大的應力設置在母材上。

因前端上部為司機室位置，上部有能抵擋110km/h速度碰撞15t變形障礙物的司機室結構，焊接量大，故將牽引梁設計高出地板面上部，通過鋁板過渡，避免地板、牽引梁、司機室骨架等焊接重疊。

2.3 地板結構設計

地板結構由橫向地板、縱向地板焊接而成。受防爬器安裝和車鉤安裝空間的需求，縱向地板中間位置距軌面尺寸較高，為了便于和邊梁連接，縱向地板兩側與邊梁平齊。橫向地板的設置有效的解決了一側與枕梁連接，另外一側與縱向地板連接。地板的設計還考慮了焊接位置分布，有效的避免焊縫集中。

2.4 緩沖梁結構設計

為了增加前端空間，將緩沖梁斷面橫向尺寸設計的比較窄，壁厚設計較薄，以實現輕量化，并減少焊縫，以承受更大的載荷。緩沖梁設計為兩種型材，緩沖梁型材1和緩沖梁型材2，主結構由緩沖梁型材1加工而成。通常緩沖梁應力較大區域位于緩沖梁型材1下表面（斜面及圓弧區域），為避免最大應力點出現在焊縫區域，設置了緩沖梁型材2代替用厚板直接焊接，將焊縫移到應力較小的部位，以提高緩沖梁的力的傳遞能力。

緩沖梁與縱向地板焊接相連，縱向地板上設有與緩沖梁焊接的筋板，使緩沖梁與縱向地板對接，地板上筋板的設置將焊接區域相對于縱向地板下表面轉移到緩沖梁中間，使焊縫由T型接頭更改為對接接頭，提高焊縫承受能力。

2.5 防爬器安裝設計

因碰撞吸能能量分配的需要，防爬吸能裝置安裝面與車鉤安裝面在縱向上間距400mm，通過防爬安裝型材的設計，僅將安裝面前移，本項目因能量吸收大，單個防爬器平均緩沖力達1250kN，故防爬安裝梁采用較厚的型材，并且預留3～5mm加工余量，通過焊后加工以保障防爬器安裝面的垂直度、平面度。

防爬器安裝中心與地板面尺寸間距小，為避免防爬器吸能后壓潰管與地板之間發生干涉，除了將地板在中心位置抬高外，還在縱向地板局部（防爬器壓潰管區域）再設置弧型凹槽。

為了充分利用空間，防爬器安裝面還用來安裝開閉機構。

2.6 排障器安裝設計

排障器位于動車組端部司機室下方，用于排除軌道上的障礙物，故排障器需要盡量靠近車頭，以更好的排障。為便于排障器安裝，在牽引梁下部設置一根橫梁，與牽引梁焊接，橫梁與緩沖梁組成一組安裝點;為了使排障器盡量靠車頭前端，在防爬器安裝型材上設置一組垂向安裝面，兩組安裝面形成L型。另外，本項目排障器要求按EN 15227標準中最大載荷進行設計（中間部位載荷300kN，兩側面載荷各250kN），排障器結構及安裝結構的輕量化設計難度大。為了使排障器輕量化設計，將排障器安裝面盡量靠近軌面，以減小排障器高度尺寸，減小轉矩，從而減薄排障器板材厚度尺寸。

因排障器占用了較大的空間，為了便于設備布置，將一些設備集成安裝在排障器上，以緩解空間不足的問題。

3 仿真計算與試驗驗證

車體結構依據標準EN 12663-1（P-II類型）進行了仿真計算，牽緩結構最大應力出現在車鉤縱向1500kN壓縮工況，最大應力為105 MPa，小于焊縫的許用應力115 MPa。

車體疲勞按照DVS 1608標準進行評價，要求更苛刻，尤其是對焊縫的評價，不僅要滿足垂直、平行焊縫方向以及剪切應力的利用率均小于1，還要滿足其組合后利用率小于1。組合公式如下：

根據標準要求，本項目還進行了試驗驗證，試驗結果沒有出現超出母材和焊縫超出許用應力值的點位。

4 結束語

本文以牽緩結構為例，改變了現有牽緩結構厚板焊接的設計方案，采用了一種厚度較薄的鋁合金型材焊接而成的牽緩結構，并將多設備接口集成設計，解決了現有牽緩結構前端空間不足，設備安裝困難，焊接變形大等問題，并通過仿真計算和試驗驗證證明牽緩結構滿足設計要求。

參考文獻：

[1] EN 12663-2010，Railway Application-Structural? requirements of railway vehicle bodies[s].

[2] DVS 1608-2011 《軌道車輛制造領域中鋁合金焊接結構的形狀和強度評定》

[3] 王強，蘇永章. 200 km/h動車組車體底架端部結構優化設計[J].技術與市場，2014（5）.

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