門立柱罩的分析研究

(中車株洲電力機車有限公司工業設計研究所，湖南 株洲 412001)

0 引言

經濟的發展，人口的增長，導致城市交通壓力日益凸顯，為解決交通擁堵問題，軌道交通發展勢在必行，地鐵就是軌道交通的重要產品之一。地鐵車輛用門立柱罩作為支撐側頂板、保護車門線路設備的重要結構，承受來自各個方向的復雜載荷，因此門立柱罩對于地鐵車輛來說不可或缺。地鐵的發展導致門立柱罩也隨之迅猛發展，從形狀、結構、材料等各個方面均發生很大優化。門立柱罩的形狀、結構、材料等因素直接對其質量影響巨大，門立柱罩質量不達標在地鐵車輛運行過程中很容易出現開裂、脫落等問題，這樣不僅影響地鐵車輛的運行，還可能對乘客的人身安全造成影響[1]。故解決門立柱罩出現的經常性開裂及脫落問題迫在眉睫。

1 問題分析

門立柱罩開裂與其結構、原材料、生產工藝、安裝工藝，受力不均等因素有關。但主因是側頂板的沖擊力及方孔鎖的小搭接量導致門立柱罩受力過大而開裂，正常門區側頂板自重加上動態地圖等設備約20 kg，即使按3 g的沖擊振動算，理論上不會引起玻璃鋼門立柱罩開裂，但是對于在地鐵開門上下車的瞬間，客流量較大時，乘客可能會抓握側頂板，對側頂板造成瞬間1 600 N大沖擊，這個沖擊很易導致門立柱罩頂部折邊處的開裂。

2 方案確定

針對門立柱罩的上述問題，找到解決方案很有必要。目前提出的解決方案是在玻璃鋼材料的門立柱罩折邊上粘貼不銹鋼，或者使用鋁合金材料的門立柱罩。本文的主要目的是探究這兩種方案的可行性，故對4 mm玻璃鋼、6 mm玻璃鋼、4 mm玻璃鋼+1 mm不銹鋼板、2.5 mm鋁型材四種材料參數下地鐵門立柱罩簡化模型進行workbench有限元分析，材料參數見表1，示意圖見圖1。

圖1 門立柱罩模型

3 受力分析

本文采用workbench進行有限元分析，其分析過程如下[3，4]。

3.1 載荷計算和邊界條件

經研究調查正常門區側頂板自重加上動態地圖等設備大概20 kg，即側頂板對門立柱罩的壓力為:F=20 N×9.8 N=196 N。

除了側頂板的重量外，車輛運行過程中還必

須承受沖擊力或者乘客人為的拉力等，假設這些外力全加起來為1 600 N，側頂板對門立柱罩的壓力主要產生在方孔鎖的搭接量，其搭接面積為：S=20 mm2×15 mm2=300 mm2。

由于方孔鎖搭接的區域相對門立柱罩折邊來說很小，因此可看作是對門立柱罩折邊上的一點施加壓力，反映在門立柱罩簡化模型網格劃分后載荷施加的方式即為局部集中力，如圖2所示。門立柱罩是螺紋連接固定于車體，故對門立柱罩背部全約束，見圖3。

圖2 workbench分析過程

圖3 載荷與邊界條件

3.2 結構強度評定標準

根據DIN EN 12663《鐵道車輛車體結構要求》規定，各個部件應在各個工況的載荷綜合作用下，材料許用應力與計算等效應力之比應不小于DIN EN 12663 第3.4.2節中規定的安全系數S (規定中若材料的屈服應力作為許用應力值，取S1為1.15，若用材料的抗拉強度作為許用應力值，取S2 為1.5)[5]。即：

Rp0.2為材料屈服應力；σb為材料抗拉強度；σc為計算等效應力。

3.3 結果分析

針對4種設計方案，分別計算相同壓力作用下門立柱罩受到的最大應力，其分析結果如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 4 mm玻璃鋼應力圖

圖5 6 mm玻璃鋼應力圖

圖6 4 mm玻璃鋼+1 mm不銹鋼應力

圖7 2.5 mm鋁合金應力圖

將上述4種分析結果的最大應力進行對比，得到表2。

表2 4種方案應力對比表

4 結語

1)門立柱罩頂部折邊越厚，能承受的壓力越大，越不容易開裂。

2)增加不銹鋼的加強板，可提高門立柱罩頂部折邊的局部承載能力。

3)增加不銹鋼加強板，玻璃鋼的應力集中區域發生變化。原始設計方案中應力多分散在折邊區域；增加不銹鋼加強板后，應力多集中在受壓區與彎角處。

4)鋁合金材質的門立柱罩能承受的壓力最大，這充分說明鋁合金材質的門立柱罩在車輛運行過程中最不容易開裂。