中國(guó)中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 張 坤 孟令鋒 陳躍忠

動(dòng)車(chē)組外風(fēng)擋開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究

中國(guó)中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 張 坤 孟令鋒 陳躍忠

動(dòng)車(chē)組外風(fēng)擋安裝在車(chē)輛中間貫通道連接處，主要功能為改善車(chē)輛外觀，優(yōu)化車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)，降低車(chē)輛運(yùn)行阻力和風(fēng)噪。目前，國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組外風(fēng)擋主要采用國(guó)外產(chǎn)品，存在采購(gòu)維護(hù)成本高、供貨周期長(zhǎng)、技術(shù)響應(yīng)慢等問(wèn)題。本文研究動(dòng)車(chē)組U型外風(fēng)擋的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)技術(shù)，探討外風(fēng)擋的設(shè)計(jì)流程。本文所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的外風(fēng)擋各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足車(chē)輛外形要求和曲線通過(guò)能力要求，并已在動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

動(dòng)車(chē)組；外風(fēng)擋；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；橡膠膠囊

1.前言

我國(guó)鐵路沿線風(fēng)環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅［1，2］。風(fēng)擋結(jié)構(gòu)在動(dòng)車(chē)組連掛和運(yùn)行中起著非常重要的作用［3，4］。高速動(dòng)車(chē)組的風(fēng)擋分為外風(fēng)擋和內(nèi)風(fēng)擋兩部分［5］，其中外風(fēng)擋安裝在車(chē)輛中間貫通道連接處，主要功能為改善車(chē)輛外觀，優(yōu)化車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)，降低車(chē)輛運(yùn)行阻力和風(fēng)噪，已成為國(guó)內(nèi)外動(dòng)車(chē)組的標(biāo)準(zhǔn)配置。

目前，國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組外風(fēng)擋主要采用國(guó)外產(chǎn)品，存在采購(gòu)維護(hù)成本高、供貨周期長(zhǎng)、技術(shù)響應(yīng)慢等問(wèn)題。因此，有必要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)化的外風(fēng)擋產(chǎn)品，擺脫國(guó)外供應(yīng)商的制約，進(jìn)而降低采購(gòu)成本。本文研究動(dòng)車(chē)組U型外風(fēng)擋的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)技術(shù)，探討外風(fēng)擋的設(shè)計(jì)流程，助力于國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組外風(fēng)擋產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化。

2.動(dòng)車(chē)組外風(fēng)擋總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目需求所設(shè)計(jì)的U型外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由橡膠膠囊、安裝骨架、內(nèi)外壓條以及緊固件等組成。

圖1　動(dòng)車(chē)組U型外風(fēng)擋總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1外風(fēng)擋尺寸的初步設(shè)計(jì)

根據(jù)兩車(chē)車(chē)端距為920mm，外風(fēng)擋安裝距離595mm。即可確定出外風(fēng)擋高度＞300mm，結(jié)合其外觀，美觀要求及膠囊的硬度，確定外風(fēng)擋高度為307mm。另外，由車(chē)體外墻面、車(chē)體端墻外側(cè)確定外風(fēng)擋長(zhǎng)度與寬度分別為2685mm、237mm。

2.2橡膠膠囊的設(shè)計(jì)

膠囊為橡膠材料，采用整體模壓硫化方式，保證橡膠的材料性能，同時(shí)為確保整體美觀，橡膠表面噴涂特殊彈性油漆。其高度根據(jù)滿足機(jī)車(chē)運(yùn)行條件下車(chē)端面對(duì)橡膠產(chǎn)生的擠壓量設(shè)計(jì)而成。實(shí)現(xiàn)一定強(qiáng)度下的壓縮，保證機(jī)車(chē)在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)膠囊外形直挺美觀，外風(fēng)擋與車(chē)體面安裝方便，且不影響整體美觀。

2.3安裝骨架的設(shè)計(jì)

車(chē)體安裝骨架承載兩種功能：一是將外風(fēng)擋和車(chē)端相連，二是將橡膠膠囊固定?？紤]到重量和強(qiáng)度要求，其主體部分的材質(zhì)將采用鋁型材6005A-T6。同時(shí)考慮車(chē)體上的安裝接口形式，則在其上應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的帶安裝孔的連接板。連接板和主體部分將進(jìn)行焊接。

2.4內(nèi)外壓條的設(shè)計(jì)

壓條主要解決橡膠膠囊的壓緊固定問(wèn)題。其材質(zhì)也將采用鋁型材6005A-T6，便于成型，其外型將和安裝框架大體一致。

3.動(dòng)車(chē)組外風(fēng)擋應(yīng)力分析

本節(jié)通過(guò)ANSYS軟件對(duì)動(dòng)車(chē)組外風(fēng)擋進(jìn)行應(yīng)力分析［6］。對(duì)動(dòng)車(chē)組結(jié)構(gòu)分析可知，其左右兩側(cè)外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)一致，且其安裝形式類似，故其受力狀態(tài)也是一致的。故選其中一個(gè)安裝骨架進(jìn)行應(yīng)力分析即可。安裝骨架采用6061-T6鋁型材，其極限抗拉強(qiáng)度為124 Mpa，屈服強(qiáng)度 55.2 MPa，延伸率25.0 %，彈性系數(shù)68.9 GPa，彎曲極限強(qiáng)度228 Mpa，泊松比0.33，具備良好的力學(xué)性能。

模擬外風(fēng)擋實(shí)際工況，對(duì)外風(fēng)擋安裝骨架施加向下的作用力，作用力大小由橡膠膠囊重量及其受力狀況決定，考慮一定安全系數(shù)，估取作用力大小為500N。

通過(guò)仿真可得出外風(fēng)擋安裝骨架最大應(yīng)力為3.3Mpa，遠(yuǎn)小于其屈服極限，最大位移為0.0053mm，不影響其使用要求。由此可知，兩側(cè)外風(fēng)擋安裝骨架完全滿足使用要求。

4.動(dòng)車(chē)組外風(fēng)擋位移試驗(yàn)

本節(jié)通過(guò)位移試驗(yàn)對(duì)初步設(shè)計(jì)的外風(fēng)擋尺寸進(jìn)行驗(yàn)證。外風(fēng)擋的尺寸應(yīng)滿足如下要求，即動(dòng)車(chē)組在其運(yùn)行線路上極限位置時(shí)膠囊不產(chǎn)生縫隙或損壞以及其他金屬件不產(chǎn)生干涉或噪音。

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)的極限位置定義如圖2-3所示：

圖2　極限工況1

圖3　極限工況2

針對(duì)本文設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)的外風(fēng)擋樣機(jī)產(chǎn)品所得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖4-5所示：

圖4　極限工況1—試驗(yàn)結(jié)果

圖5　極限工況2—試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明動(dòng)車(chē)組在其運(yùn)行極限位置時(shí)膠囊不會(huì)產(chǎn)生縫隙或損壞，同時(shí)其他金屬件也沒(méi)有產(chǎn)生干涉或噪音，即所設(shè)計(jì)的外風(fēng)擋尺寸滿足動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目要求。

5.總結(jié)

本文根據(jù)動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種U型外風(fēng)擋，其主要由橡膠膠囊、安裝骨架、內(nèi)外壓條以及緊固件等組成。通過(guò)應(yīng)力分析與極限位移試驗(yàn)驗(yàn)證了外風(fēng)擋尺寸以及選材的合理性。本文所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的外風(fēng)擋滿足車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程通過(guò)曲線時(shí)無(wú)干涉，無(wú)自毀的能力，不影響車(chē)輛連掛、車(chē)輛車(chē)端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及貫通道的自由運(yùn)動(dòng)，另外列車(chē)交匯和通過(guò)隧道時(shí)不會(huì)發(fā)生損害或永久變形。目前，本文所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的外風(fēng)擋已通過(guò)動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目驗(yàn)收，并已安裝于長(zhǎng)株潭城際動(dòng)車(chē)組T01列車(chē)上。

［1］馬淑紅，馬韞娟，李建群，等.京津城際CRH3動(dòng)車(chē)組大風(fēng)天氣條件下安全行車(chē)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)研究［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009，37（2）：7-9.

［2］葛盛昌，蔣富強(qiáng).蘭新鐵路強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)沙成因及擋風(fēng)墻防風(fēng)效果分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009（05）：1-4.

［3］歐陽(yáng)黎健，劉豐芹.風(fēng)擋在機(jī)車(chē)車(chē)輛上的應(yīng)用［J］.電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2008，31（2）：46-48.

［4］劉宏友.高速列車(chē)中的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2004（1）：136-138.

［5］張寶祥，袁彩霞，高軍.高速動(dòng)車(chē)組外風(fēng)擋橡膠的涂裝工藝［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2011，14（9）：54-56.

［6］劉濤. 精通ANSYS［M］.清華大學(xué)出版社，2002.