動車組外風擋開發(fā)應用研究

中國中車株洲電力機車有限公司 張 坤 孟令鋒 陳躍忠

動車組外風擋開發(fā)應用研究

中國中車株洲電力機車有限公司 張 坤 孟令鋒 陳躍忠

動車組外風擋安裝在車輛中間貫通道連接處，主要功能為改善車輛外觀，優(yōu)化車輛空氣動力學，降低車輛運行阻力和風噪。目前，國內(nèi)動車組外風擋主要采用國外產(chǎn)品，存在采購維護成本高、供貨周期長、技術響應慢等問題。本文研究動車組U型外風擋的設計與開發(fā)技術，探討外風擋的設計流程。本文所設計開發(fā)的外風擋各項性能指標均滿足車輛外形要求和曲線通過能力要求，并已在動車組項目中得到應用。

動車組；外風擋；結構設計；橡膠膠囊

1.前言

我國鐵路沿線風環(huán)境復雜多變，對動車組運行安全產(chǎn)生嚴重威脅［1，2］。風擋結構在動車組連掛和運行中起著非常重要的作用［3，4］。高速動車組的風擋分為外風擋和內(nèi)風擋兩部分［5］，其中外風擋安裝在車輛中間貫通道連接處，主要功能為改善車輛外觀，優(yōu)化車輛空氣動力學，降低車輛運行阻力和風噪，已成為國內(nèi)外動車組的標準配置。

目前，國內(nèi)動車組外風擋主要采用國外產(chǎn)品，存在采購維護成本高、供貨周期長、技術響應慢等問題。因此，有必要設計開發(fā)國產(chǎn)化的外風擋產(chǎn)品，擺脫國外供應商的制約，進而降低采購成本。本文研究動車組U型外風擋的設計與開發(fā)技術，探討外風擋的設計流程，助力于國內(nèi)動車組外風擋產(chǎn)品的國產(chǎn)化。

2.動車組外風擋總體結構設計

根據(jù)動車組項目需求所設計的U型外風擋結構如圖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　動車組U型外風擋總體結構示意圖

2.1外風擋尺寸的初步設計

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

2.2橡膠膠囊的設計

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)滿足機車運行條件下車端面對橡膠產(chǎn)生的擠壓量設計而成。實現(xiàn)一定強度下的壓縮，保證機車在停止狀態(tài)時膠囊外形直挺美觀，外風擋與車體面安裝方便，且不影響整體美觀。

2.3安裝骨架的設計

車體安裝骨架承載兩種功能：一是將外風擋和車端相連，二是將橡膠膠囊固定?？紤]到重量和強度要求，其主體部分的材質將采用鋁型材6005A-T6。同時考慮車體上的安裝接口形式，則在其上應設計相應的帶安裝孔的連接板。連接板和主體部分將進行焊接。

2.4內(nèi)外壓條的設計

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

3.動車組外風擋應力分析

本節(jié)通過ANSYS軟件對動車組外風擋進行應力分析［6］。對動車組結構分析可知，其左右兩側外風擋結構一致，且其安裝形式類似，故其受力狀態(tài)也是一致的。故選其中一個安裝骨架進行應力分析即可。安裝骨架采用6061-T6鋁型材，其極限抗拉強度為124 Mpa，屈服強度 55.2 MPa，延伸率25.0 %，彈性系數(shù)68.9 GPa，彎曲極限強度228 Mpa，泊松比0.33，具備良好的力學性能。

模擬外風擋實際工況，對外風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。

通過仿真可得出外風擋安裝骨架最大應力為3.3Mpa，遠小于其屈服極限，最大位移為0.0053mm，不影響其使用要求。由此可知，兩側外風擋安裝骨架完全滿足使用要求。

4.動車組外風擋位移試驗

本節(jié)通過位移試驗對初步設計的外風擋尺寸進行驗證。外風擋的尺寸應滿足如下要求，即動車組在其運行線路上極限位置時膠囊不產(chǎn)生縫隙或損壞以及其他金屬件不產(chǎn)生干涉或噪音。

動車組運行時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

針對本文設計及開發(fā)的外風擋樣機產(chǎn)品所得到的試驗結果如圖4-5所示：

圖4　極限工況1—試驗結果

圖5　極限工況2—試驗結果

試驗結果表明動車組在其運行極限位置時膠囊不會產(chǎn)生縫隙或損壞，同時其他金屬件也沒有產(chǎn)生干涉或噪音，即所設計的外風擋尺寸滿足動車組項目要求。

5.總結

本文根據(jù)動車組項目需求設計開發(fā)了一種U型外風擋，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。通過應力分析與極限位移試驗驗證了外風擋尺寸以及選材的合理性。本文所設計開發(fā)的外風擋滿足車輛在運行過程通過曲線時無干涉，無自毀的能力，不影響車輛連掛、車輛車端的相對運動及貫通道的自由運動，另外列車交匯和通過隧道時不會發(fā)生損害或永久變形。目前，本文所設計開發(fā)的外風擋已通過動車組項目驗收，并已安裝于長株潭城際動車組T01列車上。

［1］馬淑紅，馬韞娟，李建群，等.京津城際CRH3動車組大風天氣條件下安全行車技術標準參數(shù)研究［J］.鐵道技術監(jiān)督，2009，37（2）：7-9.

［2］葛盛昌，蔣富強.蘭新鐵路強風地區(qū)風沙成因及擋風墻防風效果分析［J］.鐵道工程學報，2009（05）：1-4.

［3］歐陽黎健，劉豐芹.風擋在機車車輛上的應用［J］.電力機車與城軌車輛，2008，31（2）：46-48.

［4］劉宏友.高速列車中的關鍵動力學問題研究［J］.中國鐵道科學，2004（1）：136-138.

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

［6］劉濤. 精通ANSYS［M］.清華大學出版社，2002.