動(dòng)力集中型動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)端部通道設(shè)計(jì)

杜慧勇，王鐵峰，徐繼鑫，趙剛，王肇凱

(中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，遼寧 大連 116020)*

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平日益提高，為滿足廣大旅客在舒適性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面的需求，時(shí)速160 km動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組作為普速鐵路旅客列車(chē)的迭代升級(jí)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生[1-4].動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組與高鐵、動(dòng)車(chē)不同，牽引動(dòng)力集中在動(dòng)力機(jī)車(chē)上，因此，動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)與拖車(chē)的結(jié)構(gòu)和功能大不相同.動(dòng)力車(chē)端部需要兼顧端部車(chē)門(mén)安裝與貫通道安裝，同時(shí)動(dòng)力車(chē)端部還需要有一定的吸能減震功能[5-6].為此，動(dòng)力車(chē)端部通道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[6-9]，在保證車(chē)端連接器強(qiáng)度的前提下，最大限度的進(jìn)行了兩種設(shè)備(車(chē)門(mén)與貫通道)安裝結(jié)構(gòu)的整合、優(yōu)化，減少了焊縫，輕量化效果明顯；局部采用了粘接結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，避免了焊接變形，進(jìn)一步地，改善了貫通道安裝時(shí)因密封不嚴(yán)造成的滲漏問(wèn)題.

1 現(xiàn)有技術(shù)的不足

1.1 高鐵車(chē)輛后端部

以CRH5型高鐵為例，目前它的后端部車(chē)門(mén)安裝在鋁合金后端墻上，貫通道的安裝使用了玻璃鋼安裝框(圖1)，玻璃鋼安裝框一端連接于車(chē)體后端墻上，另一端用于貫通道的安裝.存在結(jié)構(gòu)重復(fù)的遺憾，且玻璃鋼安裝框結(jié)構(gòu)復(fù)雜，預(yù)埋件多，成型難，安裝精度難以保證.

1.2 機(jī)車(chē)后端部

以中車(chē)大連研制的HXD3A八軸貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)和中車(chē)大同研制的HXD2八軸貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)為例，它們的機(jī)車(chē)后端門(mén)與橡膠風(fēng)擋的安裝方案采用車(chē)體后端墻鋼結(jié)構(gòu)上安裝門(mén)框及后端車(chē)門(mén)；在車(chē)體后端墻上焊接碳鋼風(fēng)擋安裝框(圖2)，用于橡膠風(fēng)擋的安裝.同樣存在結(jié)構(gòu)重復(fù)，重量大，焊接量大，易產(chǎn)生焊接變形等缺陷，偶爾會(huì)有橡膠風(fēng)擋與后端墻風(fēng)擋安裝框密封不嚴(yán)，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象.

圖2 橡膠風(fēng)擋安裝框示意圖

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中，結(jié)構(gòu)重復(fù)、焊接變形大、密封不良、無(wú)吸能減震功能等不足，動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)端部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)，提升技術(shù)勢(shì)在必行.

動(dòng)力車(chē)前端為司機(jī)室，后端與載客拖車(chē)連接.動(dòng)力車(chē)后端墻與動(dòng)力車(chē)底架、側(cè)墻、頂蓋形成封閉的端部通道結(jié)構(gòu)，完成動(dòng)力車(chē)與拖車(chē)的車(chē)端連接的任務(wù).動(dòng)力車(chē)端部通道的核心結(jié)構(gòu)是車(chē)端連接器，如圖3所示，作為車(chē)體后端墻主結(jié)構(gòu)的車(chē)端連接器，一側(cè)為車(chē)端入口門(mén)提供安裝接口，另一側(cè)為貫通道提供安裝接口.

圖3 車(chē)體后端墻

2 動(dòng)力車(chē)端部通道的核心結(jié)構(gòu)改進(jìn)

焊接在車(chē)體后端墻中間的的車(chē)端連接器是動(dòng)力車(chē)端部通道的核心，它兼顧了貫通道與車(chē)端入口門(mén)的安裝.

如圖4所示，車(chē)端連接器中對(duì)稱(chēng)設(shè)置了左側(cè)板和右側(cè)板，左、右側(cè)板均為板材壓制成型，翻邊(折邊)帶來(lái)強(qiáng)度與剛度的提升，且避免了焊接變形；左右側(cè)板的短翻邊側(cè)與門(mén)上梁、門(mén)下梁，壓型角鋼組焊成車(chē)端入口門(mén)的安裝結(jié)構(gòu)；左右側(cè)板的長(zhǎng)翻邊側(cè)與頂梁、底梁組焊成貫通道的安裝結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了端部入口門(mén)安裝與貫通道安裝的集成.摒棄了原門(mén)框安裝結(jié)構(gòu)與貫通道或風(fēng)擋安裝框各自獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案.新方案使用了薄板壓型折邊技術(shù)，在確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的前提下，大幅減少了焊縫，且輕量化效果明顯.

圖4 車(chē)端連接器(結(jié)構(gòu)圖)

圖4中左右側(cè)板的長(zhǎng)翻邊側(cè)與頂梁、底梁組焊后，整體加工貫通道的安裝孔位，從而實(shí)現(xiàn)了貫通道安裝接口的模塊化設(shè)計(jì)及安裝.該結(jié)構(gòu)改進(jìn)與原技術(shù)方案比較，有利于批量生產(chǎn)，從而降低制造成本.

如圖5所示，貫通道安裝側(cè)，左右側(cè)板翻邊后的單板安裝貫通道存在振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn).于是在貫通道安裝板內(nèi)側(cè)均布了12個(gè)封端角鋼(圖6)，并采用了粘接的方式安裝該角鋼.角鋼為壓型角鋼，角鋼兩端焊有4 mm厚封端鋼片，角鋼兩端采用彈性密封膠分別粘接于車(chē)體后端墻與貫通道安裝板內(nèi)側(cè)，彈性膠層的設(shè)計(jì)使該結(jié)構(gòu)具有了一定的吸能減震功能.

圖5 車(chē)端連接器(結(jié)構(gòu)圖B-B)

如圖6所示，膠層厚度為4 mm，膠層周邊留有R3～R5的膠弧.角鋼的粘接方案有效避免了焊接給車(chē)體后端墻蒙皮及貫通道安裝平面造成的焊接變形，解決了貫通道安裝后密封不良而出現(xiàn)的滲漏的問(wèn)題；角鋼粘接方案還有效減輕了貫通道對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的沖擊，具有一定吸能減震的效果，可延長(zhǎng)貫通道的壽命.

圖6 車(chē)端連接器(C向與I)

經(jīng)分析，封端角鋼的粘接位置沿左、右側(cè)板上翻邊垂向均布，角鋼布置間距為440 mm，受力狀態(tài)良好，角鋼與貫通道安裝平面鋼板邊緣留有約5 mm用于膠弧的間隙，有利于增大粘接面積，改善膠層受力狀況，延長(zhǎng)膠層使用壽命.

動(dòng)力車(chē)端部通道的核心結(jié)構(gòu)-車(chē)端連接器，采用巧妙、簡(jiǎn)潔的技術(shù)方案，完美集成了動(dòng)力車(chē)端部通道的三大功能:①車(chē)端入口門(mén)的安裝；②貫通道的安裝；③具有吸能減震功能.

3 有限元仿真分析

動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)車(chē)體建立了車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)模型；基于EN 12663-1:2010《Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》標(biāo)準(zhǔn)，采用了NASTRAN軟件高級(jí)分析技術(shù)進(jìn)行有限元仿真分析.車(chē)體端部通道隨整車(chē)進(jìn)行了有限元分析，最?lèi)毫庸r為縱向壓縮工況，該工況最大應(yīng)力點(diǎn)在車(chē)體后端墻上橫梁減重孔處，位置如圖7所示(局部放大).縱向壓縮時(shí)該處最大應(yīng)力為297.032 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力460 MPa.

圖7 車(chē)體后端墻應(yīng)力云圖(縱向壓縮工況)

由此可見(jiàn)，動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)端部通道結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，滿足強(qiáng)度要求.

4 結(jié)論

動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)端部通道的輕量化設(shè)計(jì)，融合了對(duì)膠粘劑和粘接技術(shù)應(yīng)用的元素，比原端部通道技術(shù)方案至少減重25%，為動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)整車(chē)的優(yōu)化設(shè)計(jì)做出了貢獻(xiàn)，同時(shí)也為動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)成為眾人矚目的焦點(diǎn)提供了有力的依據(jù).目前該動(dòng)力車(chē)端部通道的核心-車(chē)端連接器已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，裝車(chē)近百臺(tái)，優(yōu)異的產(chǎn)品性能贏得了業(yè)主的信賴(lài).