王少君　張海波

摘 要：本文介紹了一種動(dòng)車(chē)組牽緩結(jié)構(gòu)，對(duì)牽緩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)背景進(jìn)行了介紹，對(duì)牽緩結(jié)構(gòu)各部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證證明所設(shè)計(jì)的牽緩結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車(chē)組;牽緩結(jié)構(gòu);防爬器;排障器;驗(yàn)證

0 引言

近些年，隨著軌道車(chē)輛的發(fā)展，用戶對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)輛的要求越來(lái)越高，如外觀、舒適性、智能化、安全性等，導(dǎo)致車(chē)輛的設(shè)備也越來(lái)越多，特別是在車(chē)輛頭車(chē)前端，但車(chē)輛長(zhǎng)度并沒(méi)有隨之增加，致使車(chē)頭位置設(shè)備安裝困難，如開(kāi)閉機(jī)構(gòu)、信號(hào)設(shè)備、車(chē)鉤、防爬器、排障器、制動(dòng)系統(tǒng)等。某動(dòng)車(chē)組基于車(chē)頭短，車(chē)頭位置安裝設(shè)備多等因素所全新設(shè)計(jì)的牽緩結(jié)構(gòu)。

1 牽緩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及總體布置要求，車(chē)頭短，且安裝的設(shè)備多，使得車(chē)頭空間緊張。

2）底架地板面、車(chē)鉤安裝面、防爬吸能設(shè)備安裝面距軌面高度接近，車(chē)鉤、防爬器安裝與地板干涉。

3）前端設(shè)備重，軸重不平衡，對(duì)車(chē)體部件輕量化要求高，如車(chē)體、排障器、防爬器等。

4）車(chē)輛編組大，列車(chē)質(zhì)量重，滿足碰撞所需要吸收的能量大，吸能裝置配置高，對(duì)車(chē)體強(qiáng)度要求高。

5）因車(chē)頭位置設(shè)備多，且排障器承載要求高，排障器安裝困難。

6）車(chē)體結(jié)構(gòu)疲勞采用DVS 1608進(jìn)行評(píng)估，評(píng)價(jià)更苛刻，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求更高。

2 牽緩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

牽緩結(jié)構(gòu)主要由大型中空的鋁型材焊接而成，以輕量化設(shè)計(jì)，并減少焊縫，減小焊接變形。本項(xiàng)目的牽緩結(jié)構(gòu)由牽引梁、地板、緩沖梁、邊梁等部件組成，如圖1所示。

牽緩結(jié)構(gòu)主要材質(zhì)為EN AW 6005A-T6，承載大的部件，如車(chē)鉤安裝位置型材和防爬器安裝型材采用EN AW 6082-T6。

2.1 牽緩結(jié)構(gòu)傳力路徑布局

在方案設(shè)計(jì)階段，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)需求，對(duì)牽緩所涉及的載荷進(jìn)行布局。對(duì)于牽緩結(jié)構(gòu)主要是車(chē)鉤和防爬器對(duì)車(chē)體所產(chǎn)生的縱向力，如圖2，車(chē)鉤縱向壓縮及拉伸力大部分通過(guò)牽引梁傳遞至緩沖梁和邊梁，以至傳遞枕梁以及整個(gè)底架，同時(shí)還有一部分力通過(guò)司機(jī)室立柱傳遞到頂蓋邊梁及側(cè)墻;防爬器在發(fā)生碰撞時(shí)，防爬器對(duì)車(chē)體產(chǎn)生的縱向力大部分通過(guò)防爬器安裝座傳遞到底架邊梁、緩沖梁及后部加強(qiáng)梁，另外一部分力同車(chē)鉤力一樣傳遞到底架上部。

2.2 牽引梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頭車(chē)牽引梁用來(lái)傳遞車(chē)鉤縱向力（列車(chē)重聯(lián)運(yùn)營(yíng)、救援等），是重要的受力部件。一般牽引梁結(jié)構(gòu)采用厚板焊接或較厚的型材焊接而成，結(jié)構(gòu)重，焊接量極大。

本項(xiàng)目的牽引梁由多塊中空的擠壓型材橫向拼接而成，牽引梁兩側(cè)與邊梁焊接，前端與防爬器安裝型材焊接，后端與緩沖梁焊接。牽引梁設(shè)計(jì)盡量減少型材數(shù)量，以降低型材開(kāi)模數(shù)量，節(jié)省成本。本項(xiàng)目牽引梁采用三種型材斷面六件型材組成，均采用厚度較薄的中空鋁型材結(jié)構(gòu)，并輕量化設(shè)計(jì)，且減小焊接量。

牽引梁型材在前端縱向伸出一定的長(zhǎng)度，與防爬器安裝型材在縱向位置設(shè)置焊縫，使受力位置為母材結(jié)構(gòu)，避免焊縫承受主要載荷，也減少焊縫數(shù)量，便于牽引梁和防爬器安裝梁的平面度與垂直度的控制。牽引梁型材在前端伸出的部分設(shè)置一定的角度，可以保證車(chē)鉤的橫向擺動(dòng)所需要空間，也便于防爬器力的傳遞，同時(shí)盡量減小防爬器安裝梁的設(shè)計(jì)。

同樣，與緩沖梁連接的位置，牽引梁伸出一部分結(jié)構(gòu)，便于將較大的應(yīng)力設(shè)置在母材上。

因前端上部為司機(jī)室位置，上部有能抵擋110km/h速度碰撞15t變形障礙物的司機(jī)室結(jié)構(gòu)，焊接量大，故將牽引梁設(shè)計(jì)高出地板面上部，通過(guò)鋁板過(guò)渡，避免地板、牽引梁、司機(jī)室骨架等焊接重疊。

2.3 地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地板結(jié)構(gòu)由橫向地板、縱向地板焊接而成。受防爬器安裝和車(chē)鉤安裝空間的需求，縱向地板中間位置距軌面尺寸較高，為了便于和邊梁連接，縱向地板兩側(cè)與邊梁平齊。橫向地板的設(shè)置有效的解決了一側(cè)與枕梁連接，另外一側(cè)與縱向地板連接。地板的設(shè)計(jì)還考慮了焊接位置分布，有效的避免焊縫集中。

2.4 緩沖梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了增加前端空間，將緩沖梁斷面橫向尺寸設(shè)計(jì)的比較窄，壁厚設(shè)計(jì)較薄，以實(shí)現(xiàn)輕量化，并減少焊縫，以承受更大的載荷。緩沖梁設(shè)計(jì)為兩種型材，緩沖梁型材1和緩沖梁型材2，主結(jié)構(gòu)由緩沖梁型材1加工而成。通常緩沖梁應(yīng)力較大區(qū)域位于緩沖梁型材1下表面（斜面及圓弧區(qū)域），為避免最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫區(qū)域，設(shè)置了緩沖梁型材2代替用厚板直接焊接，將焊縫移到應(yīng)力較小的部位，以提高緩沖梁的力的傳遞能力。

緩沖梁與縱向地板焊接相連，縱向地板上設(shè)有與緩沖梁焊接的筋板，使緩沖梁與縱向地板對(duì)接，地板上筋板的設(shè)置將焊接區(qū)域相對(duì)于縱向地板下表面轉(zhuǎn)移到緩沖梁中間，使焊縫由T型接頭更改為對(duì)接接頭，提高焊縫承受能力。

2.5 防爬器安裝設(shè)計(jì)

因碰撞吸能能量分配的需要，防爬吸能裝置安裝面與車(chē)鉤安裝面在縱向上間距400mm，通過(guò)防爬安裝型材的設(shè)計(jì)，僅將安裝面前移，本項(xiàng)目因能量吸收大，單個(gè)防爬器平均緩沖力達(dá)1250kN，故防爬安裝梁采用較厚的型材，并且預(yù)留3～5mm加工余量，通過(guò)焊后加工以保障防爬器安裝面的垂直度、平面度。

防爬器安裝中心與地板面尺寸間距小，為避免防爬器吸能后壓潰管與地板之間發(fā)生干涉，除了將地板在中心位置抬高外，還在縱向地板局部（防爬器壓潰管區(qū)域）再設(shè)置弧型凹槽。

為了充分利用空間，防爬器安裝面還用來(lái)安裝開(kāi)閉機(jī)構(gòu)。

2.6 排障器安裝設(shè)計(jì)

排障器位于動(dòng)車(chē)組端部司機(jī)室下方，用于排除軌道上的障礙物，故排障器需要盡量靠近車(chē)頭，以更好的排障。為便于排障器安裝，在牽引梁下部設(shè)置一根橫梁，與牽引梁焊接，橫梁與緩沖梁組成一組安裝點(diǎn);為了使排障器盡量靠車(chē)頭前端，在防爬器安裝型材上設(shè)置一組垂向安裝面，兩組安裝面形成L型。另外，本項(xiàng)目排障器要求按EN 15227標(biāo)準(zhǔn)中最大載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)（中間部位載荷300kN，兩側(cè)面載荷各250kN），排障器結(jié)構(gòu)及安裝結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)難度大。為了使排障器輕量化設(shè)計(jì)，將排障器安裝面盡量靠近軌面，以減小排障器高度尺寸，減小轉(zhuǎn)矩，從而減薄排障器板材厚度尺寸。

因排障器占用了較大的空間，為了便于設(shè)備布置，將一些設(shè)備集成安裝在排障器上，以緩解空間不足的問(wèn)題。

3 仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

車(chē)體結(jié)構(gòu)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1（P-II類(lèi)型）進(jìn)行了仿真計(jì)算，牽緩結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在車(chē)鉤縱向1500kN壓縮工況，最大應(yīng)力為105 MPa，小于焊縫的許用應(yīng)力115 MPa。

車(chē)體疲勞按照DVS 1608標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，要求更苛刻，尤其是對(duì)焊縫的評(píng)價(jià)，不僅要滿足垂直、平行焊縫方向以及剪切應(yīng)力的利用率均小于1，還要滿足其組合后利用率小于1。組合公式如下：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，本項(xiàng)目還進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有出現(xiàn)超出母材和焊縫超出許用應(yīng)力值的點(diǎn)位。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以牽緩結(jié)構(gòu)為例，改變了現(xiàn)有牽緩結(jié)構(gòu)厚板焊接的設(shè)計(jì)方案，采用了一種厚度較薄的鋁合金型材焊接而成的牽緩結(jié)構(gòu)，并將多設(shè)備接口集成設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有牽緩結(jié)構(gòu)前端空間不足，設(shè)備安裝困難，焊接變形大等問(wèn)題，并通過(guò)仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證證明牽緩結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] EN 12663-2010，Railway Application-Structural? requirements of railway vehicle bodies[s].

[2] DVS 1608-2011 《軌道車(chē)輛制造領(lǐng)域中鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的形狀和強(qiáng)度評(píng)定》

[3] 王強(qiáng)，蘇永章. 200 km/h動(dòng)車(chē)組車(chē)體底架端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2014（5）.

[4] 劉建，蔣忠誠(chéng). 城軌車(chē)輛鋁合金車(chē)體端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2011（4）.