時速350 km中國標準動車組前端開閉機構的研制

王 坤，肖思維

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

列車前端開閉機構是列車最前端的車體部分，流線形外形使列車具有良好的空氣動力學性能，是列車空氣動力學減阻的關鍵部分。列車重聯或救援時，前端開閉機構導流罩艙門可以打開以實現列車車鉤的連接[1-2]。我國原時速300 km以上速度級高速動車組(主要是CRH3/380系列動車組)前端開閉機構集機械、電氣控制系統于一體，自動化程度高，但制造要求高，制造難度大。

因此，為構建和完善中國標準動車組技術標準體系，研制具有完全自主知識產權的標準化、系列化、簡統化動車組，滿足未來發展需求，我國展開了時速350 km中國標準動車組的研制工作[3]。根據中國標準動車組技術要求，研制其前端開閉機構，并以標準動車組前端開閉機構作為開發平臺對其玻璃鋼外形進行適應性修改，使其可同時滿足適用時速250 km標準動車組等系列化產品，具有重要意義。本文主要介紹中國標準動車組前端開閉機構的設計方案、工作原理、仿真計算及試驗驗證等。

1 主要技術要求[4]

CR400BF型中國標準動車組為8輛車編組，持續運行速度為350 km/h，最高運行速度為400 km/h。

1.1 列車通過曲線半徑要求

(1) 列車正常運行：R250 m；

(2) 列車通過S形曲線：R180 m(曲線)+ 10 m(最小過渡直線)+R180 m(曲線)；

(3) 單車調車要求：R150 m。

1.2 動車組前端開閉機構功能要求

為使動車組被動碰撞時車體結構不產生影響車輛運行安全的破壞變形，中國標準動車組車體前端增加了防爬吸能裝置，因此，開閉機構在打開過程中需要避讓前端防爬吸能裝置，同時要求列車碰撞時前端開閉機構不影響吸能裝置正常功能。

高速列車前端開閉機構應具備自動打開、關閉以及鎖定功能，且在失去動力情況下仍然具備鎖定功能，保持機構穩定可靠[5]；具備在列車發生故障時(風源或電氣故障，或者同時發生故障)的應急手動操作功能，確保列車可以正常救援。前端開閉機構設計了3種操作方式，分別是：

(1) 自動操作(普通操作)。司機在司機室內遠程控制，要求風路、電路同時保持良好；

(2) 緊急操作。人工操作車體一側氣路閥門，觸發電磁閥直接給氣缸充風，實現前端開閉機構的打開和關閉，只需要風路保持良好；

(3) 完全手動操作(減壓操作)。人工手動操作解鎖手柄及人工推動前端開閉機構的艙門，該操作對風路、電路均無要求。

2 方案選定

鑒于玻璃鋼復合材料碰撞的易碎特性，為防止列車安全被動碰撞下前端開閉機構阻礙前端防爬吸能裝置的正常作用，采用玻璃鋼承載式開閉機構是最佳方案。根據標準動車組車頭形狀，結合列車運行曲線要求，前端開閉機構采用左右獨立開閉式艙門。獨立開閉式艙門可以只打開一側艙門，該種設計方案方便設備的安裝調試以及后續的運營維護[6]。

2.1 前端開閉機構結構組成

時速350 km中國標準動車組前端開閉機構由前端玻璃鋼、運動機構、氣路控制系統、電路控制系統和排水管組成等組成，見圖1。

圖1 中國標準動車組前端開閉機構結構示意圖

底部運動機構由底板、氣缸、左側支撐臂、右側支撐臂、鎖定機構(含滾輪)等組成，見圖2。

圖2 底部運動機構結構

2.2 工作原理

前端開閉機構的底部運動機構在氣動執行元件作用下，帶動上部運動機構實現開閉機構導流罩艙門打開、關閉及鎖定功能，上部運動機構僅為從動機構。以底部運動機構的右側支撐臂為例，前端開閉機構打開和關閉過程見圖3。

圖3 底部運動機構右側支撐臂動作過程

氣動打開過程為：關閉鎖定位置(圖3(a))→解鎖到機構“死點”位置(圖3(b))→逐漸打開(圖3(c))→繼續打開(圖3(d))→打開到機構的打開“死點”位置(圖3(e))→到達打開鎖定位置(圖3(f))。

氣動關閉過程為：打開鎖定位置(圖3(f))→解鎖到機構的打開“死點”位置(圖3(e))→逐漸關閉(圖3(d))→繼續關閉(圖3(c))→關閉到機構的關閉“死點”位置(圖3(b))→到達關閉鎖定位置(圖3(a))。

中國標準動車組前端開閉機構采用機械自鎖方式，由一個氣缸(單側)一次性完成解鎖-打開或關閉-鎖定整個過程。鎖定機構可以在氣動推送氣缸作用下旋轉，一端的滾輪可以在支撐臂的滑槽內滾動，并帶動支撐臂繞中心軸轉動，當前端開閉機構導流罩艙門完全打開或者關閉后，支撐臂被機械限位無法繼續旋轉；當支撐臂與鎖定機構處于垂直狀態時，機構達到打開或關閉位置的機構“死點”臨界位置，此時鎖定機構在外力的推動下繼續旋轉過一定角度后，被支撐臂滑槽內的限位結構限制無法繼續旋轉，此時形成安全的自鎖角，從而到達鎖定位置。該鎖定機構結構簡潔，鎖定可靠[7]。

該鎖定機構內裝有預壓緊彈簧，鎖定機構在機構旋轉過程中可以隨彈簧的壓縮或伸出而產生長度方向的變化，當機構打開或關閉到“死點”位置時，鎖定機構內的彈簧被壓縮至最大狀態，當鎖定機構繼續旋轉至鎖定位置時，內部彈簧又會逐漸釋放一定長度[8]。此時如要解鎖機構，需要使鎖定機構產生一個逆向的旋轉，這就需要克服彈簧力。因此，無論在有風壓和無風壓條件下，該鎖定機構在彈簧力作用下始終會保證機構處于處于緊密鎖定狀態，消除了機械間隙，提高了機構的可靠性。

可見，中國標準動車組前端開閉機構運動過程(單側)僅有一個旋轉動作，且打開、關閉及鎖定功能僅通過1個氣缸來完成。

3 仿真計算

3.1 計算工況

依據BS EN 12663-1-2010+A1：2014《鐵道應用 軌道車身的結構要求》的規定和計算任務書要求對前端開閉機構進行仿真計算，計算載荷包括冰雪載荷、加速度載荷、壓力載荷、循環載荷及復合載荷，各施加載荷工況見表1～表3[9]。表1中冰雪載荷與加速度載荷迭加為靜態載荷，包括LC1～LC10載荷工況；壓力載荷是動車運動過程中作用在艙門及錐體上的氣壓載荷，也按靜態載荷計算，包括LC11～LC14載荷工況。表2中循環載荷是考慮冰雪載荷與變化的加速度載荷迭加，包括載荷UC1～UC10載荷工況。表3中復合載荷是不同循環載荷的迭加，包括FC1～FC6。冰雪載荷以平均壓力的形式施加在艙門及錐體的上部表面，加速度載荷施加在整個模型上，壓力載荷按壓力施加在整個模型的受壓面上。載荷LC1～LC14按靜強度評估其安全性，循環載荷UC1～UC10及復合載荷FC1～FC6按疲勞強度評估其安全性。

表1 前端導流罩艙門關閉/打開時靜態載荷工況

表2 前端導流罩艙門關閉/打開時循環載荷(單一載荷)工況

表3 復合載荷工況

3.2 計算結果

根據依據BS EN 12663-1-2010+A1：2014的規定，前端開閉機構在各個工況載荷作用下材料的許用應力(材料屈服強度)與計算等效應力之比應不小于規定的安全系數S1，取S1為1.15，即：

(1)

式中：Rp02——材料屈服強度；

σc——計算等效應力。

計算結果顯示，在上述靜態載荷、循環載荷及復合載荷所有工況中，最大應力為167.1 MPa，最小安全系數為2.1，均滿足BS EN 12663-1-2010+A1：2014規定的安全系數要求。表明中國標準動車組前端開閉機構設計具有較大的安全冗余，其結構安全可靠。

4 試驗

根據TB/T 3458—2016《動車組前端開閉機構》規定對玻璃鋼承載的前端開閉機構進行了功能試驗，振動和沖擊試驗，耐久性試驗，高低溫試驗，電氣部件的絕緣、耐壓試驗，模擬風阻強度試驗，玻璃鋼性能試驗(包含拉伸、彎曲、沖擊韌性、巴氏硬度、防火試驗)[10]。試驗結果表明，中國標準動車組前端開閉機構各項試驗均達到設計要求，滿足動車組運用要求。

5 結束語

中國標準動車組前端開閉機構瞄準國際先進水平進行了技術研發，完成了驅動機構和玻璃鋼承載總體結構的優化設計，并按先進標準進行了試驗驗證，試驗結果表明，研發的樣機全面達到了設計要求，滿足350 km/h動車組的安全運行要求，目前技術研發的產品已實現量產。此外，前端開閉機構主體承載結構采用的玻璃鋼復合材料本身就具有良好的能量吸收能力，充分利用了玻璃鋼的吸能特性，對形成具有能量吸收功能的前端開閉機構具有十分重要的意義。