高速動(dòng)車組異形排障器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王曉絨，王海鈞，王趙華

(中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

排障器是用于軌道列車排除線路障礙物，以避免發(fā)生脫軌等運(yùn)行事故的安全防護(hù)裝置。一些車組車輛在頭車兩端底架前部設(shè)置信號(hào)系統(tǒng)(見圖1)，信號(hào)系統(tǒng)可保證列車精準(zhǔn)停車(停車偏差不超過(guò)±300 mm)，對(duì)列車正常運(yùn)營(yíng)非常重要。為保證該系統(tǒng)的功能穩(wěn)定，信號(hào)系統(tǒng)天線設(shè)備周圍一定范圍內(nèi)不允許存在金屬器件。信號(hào)系統(tǒng)在車行方向上需要很大的調(diào)整范圍，同時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)極大地占用了車輛底架的前端空間，導(dǎo)致排障器沒(méi)有足夠的安裝空間。排障器若置于信號(hào)系統(tǒng)之后則與轉(zhuǎn)向架互相干涉；若置于信號(hào)系統(tǒng)之前，即使與車體最前端連接，也很難避免產(chǎn)生一個(gè)較大的懸臂，強(qiáng)度難以實(shí)現(xiàn)，且與車輛前端開閉機(jī)構(gòu)等設(shè)備會(huì)互相干涉。排障器異形結(jié)構(gòu)可以有效解決以上問(wèn)題，基于此，本文致力于設(shè)計(jì)一種占用空間小、輕量化且強(qiáng)度高的異形排障器。

圖1 排障器及車輛信號(hào)系統(tǒng)安裝示意

1 排障器結(jié)構(gòu)

排障器位于頭車底架前端，主要由排障板、上下蓋板、支架及內(nèi)部加強(qiáng)梁等組成。其功能為動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)將軌道上的障礙物清出軌道，防止障礙物卷入或侵入轉(zhuǎn)向架，以保護(hù)動(dòng)車組設(shè)備和人員安全。排障器通過(guò)螺栓與車體底架相連。排障器材料采用不同板厚的16 MnDR以及Q460E，材料性能如表1所示。排障器設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足EN 12663 P-Ⅱ要求，碰撞性能滿足EN 15227 C-1要求，設(shè)計(jì)壽命30年。

表1 所用材料性能

1.1 異形凹結(jié)構(gòu)

排障器主結(jié)構(gòu)內(nèi)部示意圖如圖2所示(排障器上蓋板部分未顯示)。車輛底架下部前端設(shè)備集中，空間狹窄，為了讓出車輛信號(hào)系統(tǒng)的安裝空間，排障器主結(jié)構(gòu)進(jìn)行了異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中間橫梁打斷，形成凹形結(jié)構(gòu)。橫梁打斷對(duì)排障器結(jié)構(gòu)的受力非常不利，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受損嚴(yán)重。為使排障器可以滿足EN 15227標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，對(duì)排障器主結(jié)構(gòu)的內(nèi)部進(jìn)行了縱向加強(qiáng)。排障器主結(jié)構(gòu)內(nèi)部的梁體大部分采用折彎件，可以很大程度增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)對(duì)內(nèi)部梁以及筋板進(jìn)行合理的布置，以補(bǔ)充橫梁打斷造成的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的問(wèn)題。

1—凹型梁；2—支架；3—翼板；4—下蓋板；5—上蓋板；6—加強(qiáng)筋板；7—L型梁；8—排障板；9—U型梁。

排障器下蓋板由板材折彎而成，中間凹型梁由3段U型梁拼接為梯形結(jié)構(gòu)。內(nèi)部加強(qiáng)梁為L(zhǎng)型梁和U型梁，由板材折彎而成。下蓋板與L型梁和U型梁之間通過(guò)插接方式連接形成箱型體以增強(qiáng)剛度，箱型體的結(jié)構(gòu)可以很大程度上提升排障器主結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，可以補(bǔ)償由于橫梁打斷導(dǎo)致的排障器強(qiáng)度和剛度不足的問(wèn)題。排障器上蓋板內(nèi)部設(shè)計(jì)有塞焊孔，通過(guò)塞焊孔實(shí)現(xiàn)上蓋板與排障器內(nèi)部L型梁和U型梁之間的連接，解決了焊接空間不足的問(wèn)題。

排障器上蓋板以上設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋板，均由板材加工而成，具有較大的圓角，在受力過(guò)程中，可以釋放部分內(nèi)應(yīng)力。加強(qiáng)筋板與排障器主結(jié)構(gòu)內(nèi)部的L型梁和U型梁對(duì)齊布置。加強(qiáng)筋連接排障器支架、排障板、上蓋板，在此處形成上下對(duì)齊布置的雙層箱型梁結(jié)構(gòu)，極大程度增強(qiáng)了排障器的強(qiáng)度和剛度，補(bǔ)償了排障器橫梁打斷造成的強(qiáng)度和剛度損失。其力傳導(dǎo)如圖3中箭頭所示，可以將力直接傳導(dǎo)至車體。

圖3 排障器力傳導(dǎo)示意

2.2 輕量化設(shè)計(jì)

在保證排障器強(qiáng)度的前提下，對(duì)排障器進(jìn)行了一系列輕量化設(shè)計(jì)。排障器采用一體化設(shè)計(jì)(安裝支架與排障器主結(jié)構(gòu)采用焊接方式連為一體)較同樣速度和強(qiáng)度等級(jí)分體式設(shè)計(jì)(安裝支架與排障器主結(jié)構(gòu)之間采用螺栓連接)輕100 kg左右。一體式結(jié)構(gòu)對(duì)安裝的要求更高，排障器支架安裝面及車體底架安裝面均在裝配之前進(jìn)行機(jī)加工，保證2個(gè)安裝面平面度均不大于2 mm。安裝支架與排障板之間不留間隙，無(wú)縫連接，這樣既減輕的重量，還可以增強(qiáng)排障器的強(qiáng)度。

此外，對(duì)于應(yīng)力相對(duì)較小的區(qū)域設(shè)置了減重孔。為保證排障器在運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部無(wú)積水，在排障器每處與外界相通的腔體的最低處都設(shè)置了排水孔，同時(shí)兼具減重孔。

2.3 焊接順序

該排障器結(jié)構(gòu)特殊，形狀復(fù)雜，為保證排障器主結(jié)構(gòu)內(nèi)部各部件之間焊縫具有良好的焊接空間，需要設(shè)計(jì)排障器結(jié)構(gòu)安裝和焊接順序方案，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的焊接質(zhì)量。該方案為：先安裝并焊接下蓋板與U型梁和L型梁；將排障板組焊后與上工序組件安裝并焊接；將上蓋板與上工序安裝，通過(guò)塞焊進(jìn)行連接；焊接其他附件。

上述設(shè)計(jì)使該異形排障器的強(qiáng)度足夠高，可以滿足EN 15227標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)排障器強(qiáng)度要求的最高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，卻只有270 kg。

3 部件間的連接

3.1 與車體的連接

排障器與車體之間通過(guò)40顆10.9級(jí)M16的螺栓連接。為保證排障器與車體之間連接的可靠性，還進(jìn)行了二次防脫設(shè)計(jì)。在車輛底架適當(dāng)位置和排障器適當(dāng)位置設(shè)置連接點(diǎn)(此處為開孔)，通過(guò)鋼絲繩連接。鋼絲繩長(zhǎng)度適當(dāng)，排障器正常運(yùn)作時(shí)，鋼絲繩處于放松狀態(tài)；排障器螺栓失效時(shí)，鋼絲繩為繃緊狀，且長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，保證排障器不接觸軌面。設(shè)置適當(dāng)個(gè)數(shù)的鋼絲繩連接點(diǎn)，確保排障器任何螺栓失效排障器任何部位均不接觸軌面。

3.2 與導(dǎo)流罩的連接

排障板上部設(shè)置螺紋結(jié)構(gòu)，通過(guò)該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)流罩的無(wú)縫連接，該結(jié)構(gòu)可以避免雪從排障器上空卷入車輛內(nèi)部，保護(hù)車輛前端電氣設(shè)備，如圖4所示。

圖4 排障器與導(dǎo)流罩連接示意

4 有限元分析

為驗(yàn)證排障器設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)采用了此排障器結(jié)構(gòu)的動(dòng)車組車體進(jìn)行了靜強(qiáng)度仿真計(jì)算。采用有限元分析法，應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度分析。車體強(qiáng)度分析基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1：2010進(jìn)行。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 15227和列車最高運(yùn)營(yíng)速度160 km/h，排障器靜強(qiáng)度計(jì)算有2種工況，如表2所示。工況1 的載荷在中心負(fù)載位置，工況2的載荷在離中心線水平距離750 mm處的位置。

表2 排障器的載荷工況

計(jì)算結(jié)果表明:排障器各部件的應(yīng)力均未大于該部位所選材料的許用應(yīng)力(見圖5)，其中排障器的最大應(yīng)力為294 MPa，小于所選材料的屈服強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果顯示排障器各部位的強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 排障器應(yīng)力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

目前，排障器已成功完成樣機(jī)試制，并進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)按照EN 12663標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工況進(jìn)行，數(shù)據(jù)顯示沒(méi)有部位出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)，且試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本相符，表明排障器結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。該排障器的成功設(shè)計(jì)制造，極大地節(jié)約了車輛下部空間，解決了安裝空間不足的問(wèn)題，從而保證列車穩(wěn)定性。