□ 敬 敏

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 有軌電車(chē)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)概述

近年來(lái),國(guó)內(nèi)有軌電車(chē)處于高速發(fā)展階段。有軌電車(chē)在中低運(yùn)量交通工具中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),成為我國(guó)除地鐵外城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分?，F(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)形式靈活多樣,主要分為單車(chē)型、浮車(chē)型、鉸接型三種。有軌電車(chē)具備噪聲小、乘坐舒適、經(jīng)濟(jì)性高等突出特點(diǎn),在市場(chǎng)上擁有較大的發(fā)展前景[1-2]。開(kāi)閉機(jī)構(gòu)是有軌電車(chē)的重要組成部位。開(kāi)閉機(jī)構(gòu)安裝在車(chē)體最前端,與車(chē)體頭罩形成完整的有軌電車(chē)車(chē)頭結(jié)構(gòu)外形。開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的主要作用是保護(hù)車(chē)體前端車(chē)鉤等設(shè)備。在兩列車(chē)連掛運(yùn)行或檢修牽引時(shí),將開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的前端導(dǎo)流罩打開(kāi),露出車(chē)鉤進(jìn)行連掛[3]。有軌電車(chē)在地面指定路線運(yùn)行,與機(jī)動(dòng)車(chē)和非機(jī)動(dòng)車(chē)共享地面交通區(qū)域,開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的打開(kāi)和關(guān)閉操作均由相關(guān)人員手動(dòng)完成。由此,開(kāi)閉機(jī)構(gòu)需具備操作簡(jiǎn)單、安全可靠、打開(kāi)和關(guān)閉無(wú)異響等要求[4]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)包括運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力部件、導(dǎo)流罩、鎖定裝置四部分,如圖1所示。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的材料為Q355B鋼,動(dòng)力部件采用空氣彈簧裝置,鎖定裝置采用分度銷。導(dǎo)流罩采用與車(chē)體頭罩相同的聚氨酯玻璃鋼復(fù)合材料,包含增強(qiáng)體和基體兩種組分,具備質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。聚氨酯玻璃鋼力學(xué)性能見(jiàn)表1。

圖1 開(kāi)閉機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)

表1 聚氨酯玻璃鋼力學(xué)性能

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由連桿機(jī)構(gòu)組成,在動(dòng)作過(guò)程中繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),使開(kāi)閉導(dǎo)流罩的運(yùn)動(dòng)軌跡為特定曲線,保證導(dǎo)流罩不會(huì)與車(chē)體頭罩發(fā)生干涉。動(dòng)力部件動(dòng)作過(guò)程中,空氣彈簧向?qū)Я髡痔峁┫蛏系膭?dòng)力,無(wú)需操作人員費(fèi)力操作。當(dāng)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)處于關(guān)閉位時(shí),通過(guò)鎖定裝置鎖定轉(zhuǎn)臂與連接板,使整個(gè)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)保持閉合狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)處于打開(kāi)位時(shí),開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在空氣彈簧的輔助動(dòng)力及鎖定裝置鎖定轉(zhuǎn)臂的雙重作用下,保持打開(kāi)狀態(tài)。

3 功能設(shè)計(jì)

開(kāi)閉機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)操作方式,并且具有機(jī)械鎖定功能。當(dāng)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)打開(kāi)或者關(guān)閉到位后,鎖定裝置將運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖定以防止誤動(dòng)作。

列車(chē)在正常運(yùn)行時(shí),開(kāi)閉機(jī)構(gòu)處于關(guān)閉狀態(tài),鎖定裝置鎖定轉(zhuǎn)臂與連接板。此時(shí),轉(zhuǎn)臂無(wú)法動(dòng)作,導(dǎo)流罩被鎖定在關(guān)閉位置。

打開(kāi)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)時(shí),按照操作標(biāo)志解鎖處于關(guān)閉位置的鎖定裝置,如圖2所示。解鎖方法為按動(dòng)解鎖手柄旋轉(zhuǎn)180°,將把手鎖定至指示鎖槽。解鎖后,人工推動(dòng)導(dǎo)流罩向上轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)臂隨之產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。當(dāng)導(dǎo)流罩轉(zhuǎn)動(dòng)到一定位置時(shí),限位螺栓阻止開(kāi)閉機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)行,開(kāi)閉機(jī)構(gòu)處于打開(kāi)狀態(tài)。此時(shí),手動(dòng)關(guān)閉鎖定裝置,鎖定運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖2 關(guān)閉位置鎖定裝置

關(guān)閉開(kāi)閉機(jī)構(gòu)時(shí),按照操作標(biāo)志解鎖處于打開(kāi)位置的鎖定裝置,如圖3所示。推動(dòng)導(dǎo)流罩向下轉(zhuǎn)動(dòng),限位螺栓與擋塊發(fā)生接觸,阻止開(kāi)閉機(jī)構(gòu)進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng),開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在空氣彈簧空氣壓力的作用下,保持關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定裝置手柄,可以鎖定運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖3 打開(kāi)位置鎖定裝置

在列車(chē)單列運(yùn)行時(shí),開(kāi)閉機(jī)構(gòu)處于關(guān)閉鎖定狀態(tài),處于關(guān)閉狀態(tài)的導(dǎo)流罩與車(chē)體玻璃鋼頭罩形成完整的列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)外形,減小風(fēng)阻和風(fēng)噪。開(kāi)閉機(jī)構(gòu)處于關(guān)閉位時(shí),在空氣彈簧壓力和機(jī)構(gòu)重力的作用下實(shí)現(xiàn)鎖定,保持關(guān)閉狀態(tài),如圖4所示。

圖4 開(kāi)閉機(jī)構(gòu)關(guān)閉狀態(tài)

在需要救援或重聯(lián)運(yùn)行時(shí),開(kāi)閉機(jī)構(gòu)處于打開(kāi)鎖定狀態(tài),以便車(chē)鉤能夠無(wú)障礙聯(lián)掛,并能夠適應(yīng)在不同曲線半徑上運(yùn)行時(shí)車(chē)鉤擺角帶來(lái)的影響。開(kāi)閉機(jī)構(gòu)處于打開(kāi)位時(shí),通過(guò)鎖定裝置限定開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)鎖定功能,保持打開(kāi)狀態(tài),如圖5所示。

圖5 開(kāi)閉機(jī)構(gòu)打開(kāi)狀態(tài)

4 有限元分析

根據(jù)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在不同運(yùn)行速度下的零部件安全性、可靠性要求,基于三維模型,對(duì)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真分析計(jì)算。開(kāi)閉機(jī)構(gòu)導(dǎo)流罩為聚氨酯玻璃鋼復(fù)合材料,因缺乏單層材料強(qiáng)度及模量數(shù)據(jù),采用與導(dǎo)流罩相同厚度的均質(zhì)材料代替復(fù)合材料進(jìn)行計(jì)算。替代材料的機(jī)械性能依據(jù)以往相同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,通過(guò)有限元法比較計(jì)算得出[7]。導(dǎo)流罩與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接的預(yù)埋件材料為06Cr19Ni10不銹鋼,運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)材料為Q355B鋼。各零部件材料的機(jī)械性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 零部件材料機(jī)械性能參數(shù)

有限元分析時(shí)主要采用殼單元模擬,單元大小約為10 mm,厚度取設(shè)計(jì)值,螺栓和分度銷采用圓柱體單元進(jìn)行模擬,其余連接處均采用耦合約束進(jìn)行簡(jiǎn)化[8]。

按計(jì)算工況的載荷以加速度形式對(duì)整個(gè)模型施加慣性載荷,風(fēng)壓載荷施加在整個(gè)模型的受壓面上。開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在車(chē)體上設(shè)置有安裝座,本次仿真分析的邊界條件為約束開(kāi)閉機(jī)構(gòu)與車(chē)體安裝座處的X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。邊界條件如圖6所示。

圖6 邊界條件

開(kāi)閉機(jī)構(gòu)是有軌電車(chē)的設(shè)備附件,根據(jù)BS EN 12663-1:2010《鐵路應(yīng)用-鐵道車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)要求-第1部分:機(jī)車(chē)和客車(chē)(及貨車(chē)的替換法)》標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定,安裝于車(chē)體上的懸掛設(shè)備裝置在任何方向能承受的最大沖擊加速度如下:縱向?yàn)?g,橫向?yàn)間,垂向?yàn)?1+C)g,C為相關(guān)受力因數(shù),g為重力加速度。在車(chē)端時(shí)C為2,在車(chē)輛中間時(shí)C為0.5,g取9.81 m/s2。

分析時(shí)所取風(fēng)壓載荷為2 500 Pa。靜強(qiáng)度考核采用第四強(qiáng)度理論,在任意應(yīng)力狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)不發(fā)生失效的條件為:

≤[σ]

(1)

式中:σe為等效應(yīng)力;[σ]為許用應(yīng)力;σ1、σ2、σ3依次為X、Y、Z方向的主應(yīng)力。

通過(guò)有限元分析,開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在關(guān)閉狀態(tài)下的應(yīng)力云圖如圖7所示。從圖7中可以看出,最大應(yīng)力產(chǎn)生于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂彎角處,最大應(yīng)力值為170.7 MPa。材料為Q355B鋼,其許用應(yīng)力值為355 MPa,安全因數(shù)為2.08。其余的應(yīng)力較大點(diǎn)主要出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臂與導(dǎo)流罩凸臺(tái)連接件折彎處,應(yīng)力值為113.8 MPa,材料為Q355B鋼,安全因數(shù)為3.12。

圖7 開(kāi)閉機(jī)構(gòu)關(guān)閉狀態(tài)應(yīng)力云圖

開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在打開(kāi)狀態(tài)下的應(yīng)力云圖如圖8所示。從圖8中可以看出,最大應(yīng)力同樣產(chǎn)生于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂彎角處,最大應(yīng)力值為162.5 MPa,材料為Q355B鋼,安全因數(shù)為2.18。其余的應(yīng)力較大點(diǎn)同樣出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臂與導(dǎo)流罩凸臺(tái)連接件折彎處,應(yīng)力值為119 MPa,材料為Q355B鋼,安全因數(shù)為2.98。

圖8 開(kāi)閉機(jī)構(gòu)打開(kāi)狀態(tài)應(yīng)力云圖

根據(jù)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在打開(kāi)狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)下的有限元分析計(jì)算結(jié)果,開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在對(duì)應(yīng)的計(jì)算載荷作用下,完全滿足BS EN 12663-1:2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)強(qiáng)度要求,主要受力點(diǎn)集中在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。對(duì)此,在設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮所選材料及零部件尺寸,避免開(kāi)閉機(jī)構(gòu)質(zhì)量過(guò)大,影響整列有軌電車(chē)的軸質(zhì)量分配。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)有軌電車(chē)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合整車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)影響因素,滿足車(chē)輛端部車(chē)鉤連掛的功能需求,同時(shí)滿足車(chē)體頭部的造型美觀要求。有限元分析計(jì)算表明,開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著國(guó)內(nèi)有軌電車(chē)的快速發(fā)展,有軌電車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)更加成熟,筆者所設(shè)計(jì)的開(kāi)閉機(jī)構(gòu)可以為后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供技術(shù)參考。