一種動車組牽緩結(jié)構(gòu)設(shè)計

王少君　張海波

摘 要：本文介紹了一種動車組牽緩結(jié)構(gòu)，對牽緩結(jié)構(gòu)設(shè)計背景進行了介紹，對牽緩結(jié)構(gòu)各部件結(jié)構(gòu)進行了詳細介紹，并通過計算驗證和試驗驗證證明所設(shè)計的牽緩結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：動車組;牽緩結(jié)構(gòu);防爬器;排障器;驗證

0 引言

近些年，隨著軌道車輛的發(fā)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(shè)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(shè)備安裝困難，如開閉機構(gòu)、信號設(shè)備、車鉤、防爬器、排障器、制動系統(tǒng)等。某動車組基于車頭短，車頭位置安裝設(shè)備多等因素所全新設(shè)計的牽緩結(jié)構(gòu)。

1 牽緩結(jié)構(gòu)設(shè)計難點

1）根據(jù)標準及總體布置要求，車頭短，且安裝的設(shè)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(shè)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(shè)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(zhì)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(shè)備多，且排障器承載要求高，排障器安裝困難。

6）車體結(jié)構(gòu)疲勞采用DVS 1608進行評估，評價更苛刻，對車體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求更高。

2 牽緩結(jié)構(gòu)簡介

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

牽緩結(jié)構(gòu)主要材質(zhì)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(jié)構(gòu)傳力路徑布局

在方案設(shè)計階段，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)需求，對牽緩所涉及的載荷進行布局。對于牽緩結(jié)構(gòu)主要是車鉤和防爬器對車體所產(chǎn)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(cè)墻;防爬器在發(fā)生碰撞時，防爬器對車體產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計

頭車牽引梁用來傳遞車鉤縱向力（列車重聯(lián)運營、救援等），是重要的受力部件。一般牽引梁結(jié)構(gòu)采用厚板焊接或較厚的型材焊接而成，結(jié)構(gòu)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(cè)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(shè)計盡量減少型材數(shù)量，以降低型材開模數(shù)量，節(jié)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(jié)構(gòu)，并輕量化設(shè)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(shè)置焊縫，使受力位置為母材結(jié)構(gòu)，避免焊縫承受主要載荷，也減少焊縫數(shù)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(shè)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(shè)計。

同樣，與緩沖梁連接的位置，牽引梁伸出一部分結(jié)構(gòu)，便于將較大的應力設(shè)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(jié)構(gòu)，焊接量大，故將牽引梁設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

地板結(jié)構(gòu)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(cè)與邊梁平齊。橫向地板的設(shè)置有效的解決了一側(cè)與枕梁連接，另外一側(cè)與縱向地板連接。地板的設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

為了增加前端空間，將緩沖梁斷面橫向尺寸設(shè)計的比較窄，壁厚設(shè)計較薄，以實現(xiàn)輕量化，并減少焊縫，以承受更大的載荷。緩沖梁設(shè)計為兩種型材，緩沖梁型材1和緩沖梁型材2，主結(jié)構(gòu)由緩沖梁型材1加工而成。通常緩沖梁應力較大區(qū)域位于緩沖梁型材1下表面（斜面及圓弧區(qū)域），為避免最大應力點出現(xiàn)在焊縫區(qū)域，設(shè)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(shè)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(shè)置將焊接區(qū)域相對于縱向地板下表面轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(fā)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(qū)域）再設(shè)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(gòu)。

2.6 排障器安裝設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計（中間部位載荷300kN，兩側(cè)面載荷各250kN），排障器結(jié)構(gòu)及安裝結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計難度大。為了使排障器輕量化設(shè)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(zhuǎn)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(shè)備布置，將一些設(shè)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(jié)構(gòu)依據(jù)標準EN 12663-1（P-II類型）進行了仿真計算，牽緩結(jié)構(gòu)最大應力出現(xiàn)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(jù)標準要求，本項目還進行了試驗驗證，試驗結(jié)果沒有出現(xiàn)超出母材和焊縫超出許用應力值的點位。

4 結(jié)束語

本文以牽緩結(jié)構(gòu)為例，改變了現(xiàn)有牽緩結(jié)構(gòu)厚板焊接的設(shè)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(jié)構(gòu)，并將多設(shè)備接口集成設(shè)計，解決了現(xiàn)有牽緩結(jié)構(gòu)前端空間不足，設(shè)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(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

參考文獻：

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