動力集中動車組用裙板結構方案對比分析

牛永剛 王小霞 廖平

摘要：在新型動力集中動車組鼓型車的聯(lián)合設計中，提出了帽型和角型兩種骨架斷面型式的裙板方案。為比較兩種方案的優(yōu)缺點，對兩種斷面型式的裙板從整體剛度和強度等方面，結合有限元仿真，進行了較為全面地對比。綜合比較后，發(fā)現(xiàn)帽型裙板整體表現(xiàn)雖好于角型裙板，但提升非常有限。

Abstract： Two kinds of skirt structure are put forward during the co-design of the new type of EMU. In order to compare the two schemes， the overall stiffness and strength of the two types of skirt are compared comprehensively with the finite element simulation. After comprehensive comparison， it is found that the overall performance of cap section skirt is better than angular section skirt， but the improvement is very limited.

關鍵詞：骨架斷面;裙板;剛度;強度;有限元仿真

Key words： section;skirt;stiffness;strength;finite element simulation

中圖分類號：U270.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0206-04

0? 引言

2019年，為推進鐵路技術裝備升級和鐵路產(chǎn)品的供給質量，由國家鐵路總公司和中國中車牽頭，進行了新型時速160公里動力集中動車組鼓型車的聯(lián)合研制。為提高車輛外觀美觀度、增加設備防護和優(yōu)化車輛外部流場，在列車下部設置了裙板。設計過程中，基于設計單位的習慣和經(jīng)驗，分別提出了裙板帽型骨架和角型骨架兩種方案，因此有必要對兩種方案進行對比分析，以提供設計依據(jù)。

1? 裙板結構方案介紹

列車裙板按車下設備的布置，分為固定式裙板和活動式裙板[1]。固定式裙板長度1760mm，活動式裙板長度2290mm。裙板由蒙皮、骨架以及與車體的安裝接口組成。固定式裙板通過安裝座與安裝梁同車體連接，如圖1所示?；顒邮饺拱逋ㄟ^鉸鏈與車體連接，同時通過氣彈簧與固定式裙板連接，如圖2所示。裙板骨架分為帽型骨架和角型骨架，具體斷面尺寸如圖3所示。

兩種斷面型式裙板中，角型骨架、安裝座與安裝梁材質為Q235，鉸鏈材質為不銹鋼，帽型骨架材質為鋼板2.5-Q350EWL1，裙板蒙皮材質為鋼板2-Q350EWL1，氣彈簧支撐座材質為鋼板5-Q350EWR1。

同種型式、不同骨架斷面的裙板，與車體連接用安裝點的分布和安裝方式相同。帽型骨架通過斷面兩側折彎邊與蒙皮塞焊連接，角型骨架通過一邊與蒙皮塞焊連接。帽型骨架中線與角型骨架焊接邊中線分布一致，骨架與蒙皮的塞焊孔規(guī)格、間隙一致。

2? 裙板結構方案對比

本文分別對兩種斷面的固定式裙板和活動式裙板，從質量、模態(tài)以及強度三個方面進行比較，了解兩種斷面型式裙板的整體剛度、強度的差異，從而可以較為全面、綜合地進行對比。

2.1 裙板質量

裙板質量如表1所示，可知同種型式不同斷面的裙板質量偏差較小，帽型裙板的質量較角型裙板質量略低。

2.2 裙板模態(tài)

通過裙板的模態(tài)可以了解其整體剛度表現(xiàn)，從而分析、比較兩種斷面對裙板整體剛度的影響。本文采用ansys有限元軟件模擬裙板的約束模態(tài)[2]。按實際安裝方式，對固定式裙板安裝座、安裝梁以及端部裙板連接處施加約束，對活動式裙板鉸鏈、氣彈簧支撐座以及端部裙板連接處施加約束。裙板前三階模態(tài)如表2所示，第一階振型如圖4～圖7所示。

由仿真結果分析可知，裙板的一階振型一階波浪變形，二階振型為一階扭轉變形，三階振型為二階扭轉變形。各階振型主要變形區(qū)域為裙板上下邊緣，中部骨架相對集中區(qū)域變形較小，說明裙板上下邊緣區(qū)域相對中部區(qū)域剛度較低。

綜合對比發(fā)現(xiàn)，帽型裙板與角型裙板各階振型一致，各階頻率也較為接近，不同斷面的裙板其整體剛度相差不大，帽型裙板相對角型裙板整體剛度稍好一些。

2.3 裙板強度

裙板作為車體的附件，在伴隨車輛運行過程中，由于線路、車輛等原因，會受到自身慣性力的作用。按照《TB/T 1335-1996鐵道車輛強度設計及鑒定規(guī)范》的要求，需要校核裙板在慣性力作用下的結構強度。因本文主要研究對象為兩種骨架裙板的結構，因此對各安裝點處的緊固件不予研究。

按規(guī)范要求，對裙板分別施加沿車體縱向±3g、橫向±1g、垂向±1.5g的加速度，并將各向加速度分別合成[3]。圖8～圖9為兩種斷面裙板，在最惡組合工況下的應力狀態(tài)。

固定式裙板最大應力均出現(xiàn)在安裝座的下部筋板上。帽型斷面裙板最大應力42.712MPa，角型斷面裙板最大應力52.707MPa，小于安裝座材質Q235的屈服強度235MPa。

活動式裙板最大應力出現(xiàn)在空氣彈簧安裝座根部折彎處，或空氣彈簧安裝座上與骨架的連接處。帽型斷面裙板最大應力22.411MPa，角型斷面裙板最大應力29.543MPa，小于空氣彈簧安裝座材質Q350EWR1的屈服強度350MPa。

由此可知，兩種斷面型式的裙板都能滿足規(guī)范的要求，帽型裙板比角型裙板在慣性力作用下應力峰值更小。

3? 總結

針對同種型式、不同骨架斷面的裙板，本文分別從質量、模態(tài)和強度等方面進行了比較。發(fā)現(xiàn)同種型式、不同骨架斷面的裙板在質量和模態(tài)方面差距不大，結構強度也均能滿足標準要求，帽型斷面裙板較角型斷面裙板的整體表現(xiàn)略好一些。由此可見，兩種斷面型式的裙板方案均能滿足設計要求，帽型斷面裙板較角型斷面裙板在整體性能的提升上并不明顯。

參考文獻：

[1]王小霞，牛永剛，廖平.新型鐵路客車裙板結構介紹[J].內燃機與配件，2020（15）：90-91.

[2]周炬，蘇金英.ANSYS Workbench有限元分析實例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2019.

[3]TB/T 1335-1996，鐵道車輛強度設計及鑒定規(guī)范[S].