高速動車組防脫落底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

賈惠臻

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高速動車組防脫落底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

賈惠臻

（青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司工程部，山東 青島 266111）

針對高速動車組車身輕量化的要求，文章介紹了一種具有防脫落結(jié)構(gòu)的輕型鋁合金底板，結(jié)合底板的設(shè)計要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并對底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計算，通過振動沖擊試驗驗證這種防脫落底板的可靠性。

底板結(jié)構(gòu)；鋁焊接；防脫落；應(yīng)力水平；靜強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度；振動沖擊

前言

隨著我國高速鐵路迅猛發(fā)展，列車運(yùn)行速度的不斷提升，動車組輕量化、可靠性、舒適性、安全性的要求更加嚴(yán)格。為減小空氣阻力和保護(hù)車下設(shè)備，動車組設(shè)有車下設(shè)備艙，底板作為設(shè)備艙的主要組成部分，位于車下設(shè)備正下方，具備防石擊、密封等功能。

目前國內(nèi)底板設(shè)計多選用鋼質(zhì)或鋁型材，重量較大。時速250公里動車組對底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減輕重量，采用螺栓連接并增加了防脫裝置。本文從三維設(shè)計、強(qiáng)度計算、振動沖擊試驗三方面分析底板結(jié)構(gòu)并驗證其可靠性。

1 底板的設(shè)計要求

1.1 強(qiáng)度要求及空氣動力學(xué)性能要求

底板應(yīng)能保護(hù)車下設(shè)備，強(qiáng)度及剛度應(yīng)滿足實際運(yùn)用需要，承受艙內(nèi)負(fù)壓及正常運(yùn)行過程中由于壓力波而導(dǎo)致的全部空氣動力載荷。

1.2 耐振動和沖擊

底板應(yīng)能承受動車組運(yùn)行中的各種振動和沖擊，在運(yùn)行速度范圍內(nèi)不會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，振動和沖擊性能符合IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 具備防脫落功能

用于底板安裝的緊固件應(yīng)有防松功能，經(jīng)常拆卸的底板應(yīng)采用多次可拆卸結(jié)構(gòu)，便于拆裝并可重復(fù)使用，并具有防脫落結(jié)構(gòu)。

1.4 設(shè)備艙密封性要求

底板應(yīng)能滿足密封性要求，避免雨、雪、雜物的進(jìn)入。

2 底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 底板焊接

底板位于車下設(shè)備艙的最下部，以鋁合金板為主要材質(zhì)，輔以鋁型材為加強(qiáng)筋，這種結(jié)構(gòu)的底板質(zhì)量較輕，每塊一米寬的底板僅重25kg。具體結(jié)構(gòu)如下：采用鋁合金板作為基材，在鋁板上橫向焊接鋁型材增加強(qiáng)度，鋁板周圍焊接鋁型材作為邊框，均使用點焊以減小應(yīng)力集中。鋁板安裝在邊框內(nèi)，且尺寸大于邊框開口，保證即使個別焊點失效，仍具備防脫落性能。底板與邊框型材焊接后周圈打膠以保證設(shè)備艙密封性。底板焊接組成見圖1。

圖1

2.2 底板安裝

底板安裝在固定于車體下邊梁的骨架上，為保證連接可靠，每塊底板使用44～48組T型螺栓連接在骨架型材上。T螺栓上有橡膠限位塊，可防止螺栓上下躥動。螺栓連接后涂抹防腐劑。底板安裝結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2

2.3 防脫落結(jié)構(gòu)

圖3

圖4

為防止緊固件脫落，在緊固件外部安裝防脫蓋板，蓋板上有T型安裝座（見圖4），通過骨架下部型材的蓋板插口（見圖3）安裝，蓋板安裝后，使用止擋（見圖3）防止蓋板橫向躥動。為保證設(shè)備艙密封性，蓋板使用密封條（圖2）及橡膠堵（圖3）密封，并在止擋區(qū)域縫隙處涂抹密封膠。

3 強(qiáng)度計算

使用Catia軟件建立三維模型，將模型導(dǎo)入HyperMesh軟件，生成有限元模型，輸入材料屬性，建立邊界條件。有限元模型見圖5。

圖5

通過對靜態(tài)和疲勞載荷兩種工況進(jìn)行強(qiáng)度計算，校核底板結(jié)構(gòu)。載荷工況選取自標(biāo)準(zhǔn)EN12663。計算結(jié)果包含底板的應(yīng)力水平（圖6）；底板變形量（圖7）；焊縫靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度；螺栓連接的疲勞強(qiáng)度計算。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DVS1608計算鋁焊縫疲勞強(qiáng)度；螺栓連接評定按照標(biāo)準(zhǔn)VDI2230；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN15085評定點焊的靜態(tài)強(qiáng)度，進(jìn)行振動沖擊試驗評估點焊的疲勞強(qiáng)度。計算結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6

圖7

4 振動和沖擊試驗

表1 振動試驗條件

表2 沖擊試驗條件

為驗證底板結(jié)構(gòu)的可靠性，對底板樣件進(jìn)行振動沖擊試驗，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373-2010的規(guī)定，使用試驗頻率：f1=5Hz，f2=150Hz。選取六個底板的固定點作為控制點，選用底板中心均勻分布的9個點作為響應(yīng)點，安裝傳感器并記錄試驗數(shù)據(jù)。依次按橫向、縱向、垂向的順序?qū)υ囼灱M(jìn)行振動試驗和沖擊試驗。振動試驗條件見表1，沖擊試驗條件見表2。

試驗記錄三個方向的控制和響應(yīng)曲線；對比傳遞函數(shù)曲線，以檢查振動沖擊試驗之后試驗件的結(jié)構(gòu)是否變化；對于重要焊縫，需進(jìn)行探傷處理，對比試驗前后焊縫變化。經(jīng)分析處理，試驗結(jié)果如下：

1）試驗件無視覺變形，機(jī)械結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化；

圖8 Z向振動試驗結(jié)束時1~9測點的響應(yīng)曲線

圖9 Z向振動試驗前后測點1傳遞函數(shù)曲線比較

2）傳遞函數(shù)無明顯變化；

3）焊縫無裂紋萌生或擴(kuò)展。

試驗結(jié)果表明底板的振動和沖擊性能滿足IEC 61373的要求。

圖10 試驗前后裂紋探傷結(jié)果（角2）

5 結(jié)論

本文介紹的高速列車輕型底板結(jié)構(gòu)，已安全運(yùn)行120萬公里。采用鋁合金板材加型材的結(jié)構(gòu)，增加了防脫落裝置，既滿足整車輕量化及強(qiáng)度要求，又提高了底板的安全性、可靠性。這種輕質(zhì)底板結(jié)構(gòu)的成功運(yùn)用，為我國動車組輕量化技術(shù)提供重要依據(jù)。

[1] 標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛設(shè)備-沖擊和振動試驗.

[2] 標(biāo)準(zhǔn)EN 12663鐵路車輛車身結(jié)構(gòu)要求.

[3] 標(biāo)準(zhǔn)EN 15085鐵路設(shè)施-鐵路車輛和部件的焊接.

[4] 標(biāo)準(zhǔn)DVS 1608鋁焊接接頭的設(shè)計與疲勞強(qiáng)度評定.

[5] 標(biāo)準(zhǔn)VDI 2230高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計算.

Structural Design of High-speed EMU Anti-shedding Bottom Cover

Jia Huizhen

( Engineering EMU, Bombardier Sifang Transportation Ltd., Shandong Qingdao 266111 )

In order to meet the requirement of light weight of high-speed EMU body,this paper introduces a kind of light-type aluminium alloy bottom cover with anti-shedding structure.According to the design requirements of the bottom plate,analyses the structure,calculates the strength of bottom plate,verify the reliability of the anti-shedding bottom cover by shock and vibration tests.

Bottom cover structure;Aluminium welding;Anti-shedding;Stress level;Static strength;Fatigue strength;Vibration and shock

U465

A

1671-7988(2019)07-178-03

賈惠臻，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，工學(xué)學(xué)士。職稱：工程師。就職于青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司。現(xiàn)任工程部車外設(shè)計工程師，主要負(fù)責(zé)動車組外部產(chǎn)品的研發(fā)工作。

U465

A

1671-7988(2019)07-178-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.059