某地鐵車輛塞拉門系統短導筒的有限元分析

摘 要：文章概述了國內某地鐵車輛客室側門系統的設計特點，介紹了塞拉門系統小掛架的優化原因。利用ANSYS有限元分析軟件分別建立了改進前及改進后小掛架的有限元模型。分別對兩個模型進行了靜強度分析，結果表明，優化后的下掛架滿足強度要求并且變形量明顯小于優化前小掛架。

關鍵詞：塞拉門；短導筒；有限元；靜強度

引言

客室側門系統作為地鐵車輛的重要部件在車輛的運營中扮演著非常關鍵的角色。車輛運行站間距短、運量大的特點決定了客室側門在頻繁開閉的同時還要隨時承受大客流的沖擊，因而容易導致機械零部件的故障。短導筒作為塞拉門系統完成門板塞拉動作的關鍵部件，其強度及可靠性直接威脅車門系統運行安全甚至影響地鐵車輛的運營秩序。[1、2]

文章在對塞拉門系統短導筒結構設計進行深入研究后，利用ANSYS有線元分析軟件對優化前及優化后的短導筒進行有限元分析，通過對比分析結果得出結論：優化后的小掛件靜強度承載能力優于優化前短導筒。

1 短導筒優化說明

客室側門系統在原既有線車輛客室側門方案基礎上進行優化。原方案客室側門門機構如圖1所示。優化后車輛客室側門門機構如圖2 所示。

圖1 既有線車輛門機構

圖2 廣四南延車輛門機構

優化前的短導筒長導柱中心距離掛架邊緣為7.5mm，優化后為23.5mm。優化后的短導筒減小了偏載對直線軸承的受力影響，室短導柱受力均勻，運行平穩，提高了車門系統運行可靠性。

2 有限元模型

在Solidworks軟件中完成掛架的建模，將三維模型導入到ANSYS有線元分析軟件中。在ANSYS中采用Solid92單元對短導筒進行網格劃分，最大單元尺寸為0.002m。劃分完網格后的模型如圖3、4所示。

圖3 優化前短導筒有限元模型

圖4 優化后短導筒有限元模型

3 添加約束及載荷

文章分析了門全開和全閉狀態兩種工況短導筒的靜強度。車門全開時短導筒承受單扇門板重量約為79.5kg，車門全閉時短導筒所承受的垂向載荷很小約為3g。

對兩個有限元模型采用相同的約束條件，如表1所示。

表1 載荷及約束條件

短導筒的材質為ZG270，材料參數見表2。

表2 材料參數表

4 分析結果

4.1 優化前

工況一：優化前短導筒在工況一條件下的位移云圖及應力云圖如圖5、6所示。

優化前短導筒的最大變形為0.0186mm，最大變形在掛架下部鎖銷緊固處。短導筒的最大應力為35.8MPa，出現在短導筒拐角處。

安全系數S=屈服極限/最大應力=248/35.8=6.93。根據標準UIC566，安全系數S>1.1，即滿足強度要求。

工況二：優化前短導筒在工況二條件下的位移云圖及應力云圖如圖7、8所示。

優化前短導筒的最大變形為0.0516mm，最大變形在掛架下部鎖銷緊固處。短導筒的最大應力為75.9MPa，出現在短導筒拐角處。

安全系數S=屈服極限/最大應力=248/75.9=3.27。根據標準UIC566，安全系數S>1.1，即滿足強度要求。

工況二條件下的最大應力大于工況一條件下的最大應力，原因在于掛架下部需要施加鎖緊力以保證長導柱與掛架下部的配合。

4.2 優化后

工況一：優化后短導筒的位移云圖及應力云圖如圖9、10所示。

優化前短導筒的最大變形為0.0102mm，最大變形在掛架下部鎖銷緊固處。短導筒的最大應力為36.3MPa，出現在短導筒拐角處。

安全系數S=屈服極限/最大應力=248/36.3=6.83。根據標準UIC566，安全系數S>1.1，即滿足強度要求。

工況二：優化后短導筒的位移云圖及應力云圖如圖11、12示。

優化后短導筒的最大變形為0.0285最大變形在掛架下部鎖銷緊固處。短導筒的最大應力為108MPa，出現在短導筒拐角處。

安全系數S=屈服極限/最大應力=248/108=2.30。根據標準UIC566，安全系數S>1.1，即滿足強度要求。

5 結束語

短導筒有線元分析計算結果對比見表3。

通過表3可以得出：優化后的短導筒滿足強度要求，并且在同等載荷條件下變形量明顯減小。

參考文獻

[1]李淑俊.淺談客車塞拉門的原理及應用[J].鐵道車輛，2002，5（40）：6-10.

[2]王亮，杜兆波.城軌車輛LS型鎖閉機構外掛密封門研究與分析[J].鐵道機車車輛，2012，5（32）：42-47.