動力集中型動車組動力車端部通道設(shè)計

杜慧勇，王鐵峰，徐繼鑫，趙剛，王肇凱

(中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116020)*

隨著國民經(jīng)濟的迅猛發(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)濟性、安全性等方面的需求，時速160 km動力集中動車組作為普速鐵路旅客列車的迭代升級產(chǎn)品應(yīng)運而生[1-4].動力集中動車組與高鐵、動車不同，牽引動力集中在動力機車上，因此，動力集中動車組動力車與拖車的結(jié)構(gòu)和功能大不相同.動力車端部需要兼顧端部車門安裝與貫通道安裝，同時動力車端部還需要有一定的吸能減震功能[5-6].為此，動力車端部通道進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[6-9]，在保證車端連接器強度的前提下，最大限度的進行了兩種設(shè)備(車門與貫通道)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，避免了焊接變形，進一步地，改善了貫通道安裝時因密封不嚴造成的滲漏問題.

1 現(xiàn)有技術(shù)的不足

1.1 高鐵車輛后端部

以CRH5型高鐵為例，目前它的后端部車門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 機車后端部

以中車大連研制的HXD3A八軸貨運電力機車和中車大同研制的HXD2八軸貨運電力機車為例，它們的機車后端門與橡膠風(fēng)擋的安裝方案采用車體后端墻鋼結(jié)構(gòu)上安裝門框及后端車門；在車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，偶爾會有橡膠風(fēng)擋與后端墻風(fēng)擋安裝框密封不嚴，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象.

圖2 橡膠風(fēng)擋安裝框示意圖

針對現(xiàn)有技術(shù)中，結(jié)構(gòu)重復(fù)、焊接變形大、密封不良、無吸能減震功能等不足，動力集中動車組動力車端部優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提升技術(shù)勢在必行.

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

圖3 車體后端墻

2 動力車端部通道的核心結(jié)構(gòu)改進

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

如圖4所示，車端連接器中對稱設(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)帶來強度與剛度的提升，且避免了焊接變形；左右側(cè)板的短翻邊側(cè)與門上梁、門下梁，壓型角鋼組焊成車端入口門的安裝結(jié)構(gòu)；左右側(cè)板的長翻邊側(cè)與頂梁、底梁組焊成貫通道的安裝結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了端部入口門安裝與貫通道安裝的集成.摒棄了原門框安裝結(jié)構(gòu)與貫通道或風(fēng)擋安裝框各自獨立的設(shè)計方案.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 車端連接器(結(jié)構(gòu)圖)

圖4中左右側(cè)板的長翻邊側(cè)與頂梁、底梁組焊后，整體加工貫通道的安裝孔位，從而實現(xiàn)了貫通道安裝接口的模塊化設(shè)計及安裝.該結(jié)構(gòu)改進與原技術(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風(fēng)險.于是在貫通道安裝板內(nèi)側(cè)均布了12個封端角鋼(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體后端墻與貫通道安裝板內(nèi)側(cè)，彈性膠層的設(shè)計使該結(jié)構(gòu)具有了一定的吸能減震功能.

圖5 車端連接器(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)的滲漏的問題；角鋼粘接方案還有效減輕了貫通道對鋼結(jié)構(gòu)的沖擊，具有一定吸能減震的效果，可延長貫通道的壽命.

圖6 車端連接器(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，延長膠層使用壽命.

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

3 有限元仿真分析

動力集中動車組動力車車體建立了車體結(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，采用了NASTRAN軟件高級分析技術(shù)進行有限元仿真分析.車體端部通道隨整車進行了有限元分析，最惡劣工況為縱向壓縮工況，該工況最大應(yīng)力點在車體后端墻上橫梁減重孔處，位置如圖7所示(局部放大).縱向壓縮時該處最大應(yīng)力為297.032 MPa，遠小于許用應(yīng)力460 MPa.

圖7 車體后端墻應(yīng)力云圖(縱向壓縮工況)

由此可見，動力集中動車組動力車端部通道結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，滿足強度要求.

4 結(jié)論

動力集中動車組動力車端部通道的輕量化設(shè)計，融合了對膠粘劑和粘接技術(shù)應(yīng)用的元素，比原端部通道技術(shù)方案至少減重25%，為動力集中動車組動力車整車的優(yōu)化設(shè)計做出了貢獻，同時也為動力集中動車組動力車成為眾人矚目的焦點提供了有力的依據(jù).目前該動力車端部通道的核心-車端連接器已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)，裝車近百臺，優(yōu)異的產(chǎn)品性能贏得了業(yè)主的信賴.