時(shí)速350 km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)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(kāi)閉機(jī)構(gòu)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(dòng)力學(xué)性能，是列車空氣動(dòng)力學(xué)減阻的關(guān)鍵部分。列車重聯(lián)或救援時(shí)，前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)導(dǎo)流罩艙門可以打開(kāi)以實(shí)現(xiàn)列車車鉤的連接[1-2]。我國(guó)原時(shí)速300 km以上速度級(jí)高速動(dòng)車組(主要是CRH3/380系列動(dòng)車組)前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)集機(jī)械、電氣控制系統(tǒng)于一體，自動(dòng)化程度高，但制造要求高，制造難度大。

因此，為構(gòu)建和完善中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，研制具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、簡(jiǎn)統(tǒng)化動(dòng)車組，滿足未來(lái)發(fā)展需求，我國(guó)展開(kāi)了時(shí)速350 km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的研制工作[3]。根據(jù)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組技術(shù)要求，研制其前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，并以標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)其玻璃鋼外形進(jìn)行適應(yīng)性修改，使其可同時(shí)滿足適用時(shí)速250 km標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組等系列化產(chǎn)品，具有重要意義。本文主要介紹中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案、工作原理、仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證等。

1 主要技術(shù)要求[4]

CR400BF型中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組為8輛車編組，持續(xù)運(yùn)行速度為350 km/h，最高運(yùn)行速度為400 km/h。

1.1 列車通過(guò)曲線半徑要求

(1) 列車正常運(yùn)行：R250 m；

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

(3) 單車調(diào)車要求：R150 m。

1.2 動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)功能要求

為使動(dòng)車組被動(dòng)碰撞時(shí)車體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響車輛運(yùn)行安全的破壞變形，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體前端增加了防爬吸能裝置，因此，開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在打開(kāi)過(guò)程中需要避讓前端防爬吸能裝置，同時(shí)要求列車碰撞時(shí)前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)不影響吸能裝置正常功能。

高速列車前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)應(yīng)具備自動(dòng)打開(kāi)、關(guān)閉以及鎖定功能，且在失去動(dòng)力情況下仍然具備鎖定功能，保持機(jī)構(gòu)穩(wěn)定可靠[5]；具備在列車發(fā)生故障時(shí)(風(fēng)源或電氣故障，或者同時(shí)發(fā)生故障)的應(yīng)急手動(dòng)操作功能，確保列車可以正常救援。前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了3種操作方式，分別是：

(1) 自動(dòng)操作(普通操作)。司機(jī)在司機(jī)室內(nèi)遠(yuǎn)程控制，要求風(fēng)路、電路同時(shí)保持良好；

(2) 緊急操作。人工操作車體一側(cè)氣路閥門，觸發(fā)電磁閥直接給氣缸充風(fēng)，實(shí)現(xiàn)前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的打開(kāi)和關(guān)閉，只需要風(fēng)路保持良好；

(3) 完全手動(dòng)操作(減壓操作)。人工手動(dòng)操作解鎖手柄及人工推動(dòng)前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的艙門，該操作對(duì)風(fēng)路、電路均無(wú)要求。

2 方案選定

鑒于玻璃鋼復(fù)合材料碰撞的易碎特性，為防止列車安全被動(dòng)碰撞下前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)阻礙前端防爬吸能裝置的正常作用，采用玻璃鋼承載式開(kāi)閉機(jī)構(gòu)是最佳方案。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車頭形狀，結(jié)合列車運(yùn)行曲線要求，前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)采用左右獨(dú)立開(kāi)閉式艙門。獨(dú)立開(kāi)閉式艙門可以只打開(kāi)一側(cè)艙門，該種設(shè)計(jì)方案方便設(shè)備的安裝調(diào)試以及后續(xù)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)[6]。

2.1 前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

時(shí)速350 km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)由前端玻璃鋼、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣路控制系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)和排水管組成等組成，見(jiàn)圖1。

圖1 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

底部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由底板、氣缸、左側(cè)支撐臂、右側(cè)支撐臂、鎖定機(jī)構(gòu)(含滾輪)等組成，見(jiàn)圖2。

圖2 底部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的底部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在氣動(dòng)執(zhí)行元件作用下，帶動(dòng)上部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)導(dǎo)流罩艙門打開(kāi)、關(guān)閉及鎖定功能，上部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)僅為從動(dòng)機(jī)構(gòu)。以底部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的右側(cè)支撐臂為例，前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 底部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)右側(cè)支撐臂動(dòng)作過(guò)程

氣動(dòng)打開(kāi)過(guò)程為：關(guān)閉鎖定位置(圖3(a))→解鎖到機(jī)構(gòu)“死點(diǎn)”位置(圖3(b))→逐漸打開(kāi)(圖3(c))→繼續(xù)打開(kāi)(圖3(d))→打開(kāi)到機(jī)構(gòu)的打開(kāi)“死點(diǎn)”位置(圖3(e))→到達(dá)打開(kāi)鎖定位置(圖3(f))。

氣動(dòng)關(guān)閉過(guò)程為：打開(kāi)鎖定位置(圖3(f))→解鎖到機(jī)構(gòu)的打開(kāi)“死點(diǎn)”位置(圖3(e))→逐漸關(guān)閉(圖3(d))→繼續(xù)關(guān)閉(圖3(c))→關(guān)閉到機(jī)構(gòu)的關(guān)閉“死點(diǎn)”位置(圖3(b))→到達(dá)關(guān)閉鎖定位置(圖3(a))。

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)采用機(jī)械自鎖方式，由一個(gè)氣缸(單側(cè))一次性完成解鎖-打開(kāi)或關(guān)閉-鎖定整個(gè)過(guò)程。鎖定機(jī)構(gòu)可以在氣動(dòng)推送氣缸作用下旋轉(zhuǎn)，一端的滾輪可以在支撐臂的滑槽內(nèi)滾動(dòng)，并帶動(dòng)支撐臂繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)導(dǎo)流罩艙門完全打開(kāi)或者關(guān)閉后，支撐臂被機(jī)械限位無(wú)法繼續(xù)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)支撐臂與鎖定機(jī)構(gòu)處于垂直狀態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)達(dá)到打開(kāi)或關(guān)閉位置的機(jī)構(gòu)“死點(diǎn)”臨界位置，此時(shí)鎖定機(jī)構(gòu)在外力的推動(dòng)下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，被支撐臂滑槽內(nèi)的限位結(jié)構(gòu)限制無(wú)法繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)形成安全的自鎖角，從而到達(dá)鎖定位置。該鎖定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，鎖定可靠[7]。

該鎖定機(jī)構(gòu)內(nèi)裝有預(yù)壓緊彈簧，鎖定機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可以隨彈簧的壓縮或伸出而產(chǎn)生長(zhǎng)度方向的變化，當(dāng)機(jī)構(gòu)打開(kāi)或關(guān)閉到“死點(diǎn)”位置時(shí)，鎖定機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈簧被壓縮至最大狀態(tài)，當(dāng)鎖定機(jī)構(gòu)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至鎖定位置時(shí)，內(nèi)部彈簧又會(huì)逐漸釋放一定長(zhǎng)度[8]。此時(shí)如要解鎖機(jī)構(gòu)，需要使鎖定機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)逆向的旋轉(zhuǎn)，這就需要克服彈簧力。因此，無(wú)論在有風(fēng)壓和無(wú)風(fēng)壓條件下，該鎖定機(jī)構(gòu)在彈簧力作用下始終會(huì)保證機(jī)構(gòu)處于處于緊密鎖定狀態(tài)，消除了機(jī)械間隙，提高了機(jī)構(gòu)的可靠性。

可見(jiàn)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程(單側(cè))僅有一個(gè)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，且打開(kāi)、關(guān)閉及鎖定功能僅通過(guò)1個(gè)氣缸來(lái)完成。

3 仿真計(jì)算

3.1 計(jì)算工況

依據(jù)BS EN 12663-1-2010+A1：2014《鐵道應(yīng)用 軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》的規(guī)定和計(jì)算任務(wù)書(shū)要求對(duì)前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算載荷包括冰雪載荷、加速度載荷、壓力載荷、循環(huán)載荷及復(fù)合載荷，各施加載荷工況見(jiàn)表1～表3[9]。表1中冰雪載荷與加速度載荷迭加為靜態(tài)載荷，包括LC1～LC10載荷工況；壓力載荷是動(dòng)車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中作用在艙門及錐體上的氣壓載荷，也按靜態(tài)載荷計(jì)算，包括LC11～LC14載荷工況。表2中循環(huán)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(fù)合載荷是不同循環(huán)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(gè)模型上，壓力載荷按壓力施加在整個(gè)模型的受壓面上。載荷LC1～LC14按靜強(qiáng)度評(píng)估其安全性，循環(huán)載荷UC1～UC10及復(fù)合載荷FC1～FC6按疲勞強(qiáng)度評(píng)估其安全性。

表1 前端導(dǎo)流罩艙門關(guān)閉/打開(kāi)時(shí)靜態(tài)載荷工況

表2 前端導(dǎo)流罩艙門關(guān)閉/打開(kāi)時(shí)循環(huán)載荷(單一載荷)工況

表3 復(fù)合載荷工況

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)依據(jù)BS EN 12663-1-2010+A1：2014的規(guī)定，前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在各個(gè)工況載荷作用下材料的許用應(yīng)力(材料屈服強(qiáng)度)與計(jì)算等效應(yīng)力之比應(yīng)不小于規(guī)定的安全系數(shù)S1，取S1為1.15，即：

(1)

式中：Rp02——材料屈服強(qiáng)度；

σc——計(jì)算等效應(yīng)力。

計(jì)算結(jié)果顯示，在上述靜態(tài)載荷、循環(huán)載荷及復(fù)合載荷所有工況中，最大應(yīng)力為167.1 MPa，最小安全系數(shù)為2.1，均滿足BS EN 12663-1-2010+A1：2014規(guī)定的安全系數(shù)要求。表明中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大的安全冗余，其結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 試驗(yàn)

根據(jù)TB/T 3458—2016《動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)》規(guī)定對(duì)玻璃鋼承載的前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了功能試驗(yàn)，振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，耐久性試驗(yàn)，高低溫試驗(yàn)，電氣部件的絕緣、耐壓試驗(yàn)，模擬風(fēng)阻強(qiáng)度試驗(yàn)，玻璃鋼性能試驗(yàn)(包含拉伸、彎曲、沖擊韌性、巴氏硬度、防火試驗(yàn))[10]。試驗(yàn)結(jié)果表明，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)各項(xiàng)試驗(yàn)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足動(dòng)車組運(yùn)用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平進(jìn)行了技術(shù)研發(fā)，完成了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和玻璃鋼承載總體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并按先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，研發(fā)的樣機(jī)全面達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足350 km/h動(dòng)車組的安全運(yùn)行要求，目前技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。此外，前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)主體承載結(jié)構(gòu)采用的玻璃鋼復(fù)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(duì)形成具有能量吸收功能的前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)具有十分重要的意義。