門立柱罩的分析研究

(中車株洲電力機(jī)車有限公司工業(yè)設(shè)計(jì)研究所，湖南 株洲 412001)

0 引言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增長(zhǎng)，導(dǎo)致城市交通壓力日益凸顯，為解決交通擁堵問題，軌道交通發(fā)展勢(shì)在必行，地鐵就是軌道交通的重要產(chǎn)品之一。地鐵車輛用門立柱罩作為支撐側(cè)頂板、保護(hù)車門線路設(shè)備的重要結(jié)構(gòu)，承受來自各個(gè)方向的復(fù)雜載荷，因此門立柱罩對(duì)于地鐵車輛來說不可或缺。地鐵的發(fā)展導(dǎo)致門立柱罩也隨之迅猛發(fā)展，從形狀、結(jié)構(gòu)、材料等各個(gè)方面均發(fā)生很大優(yōu)化。門立柱罩的形狀、結(jié)構(gòu)、材料等因素直接對(duì)其質(zhì)量影響巨大，門立柱罩質(zhì)量不達(dá)標(biāo)在地鐵車輛運(yùn)行過程中很容易出現(xiàn)開裂、脫落等問題，這樣不僅影響地鐵車輛的運(yùn)行，還可能對(duì)乘客的人身安全造成影響[1]。故解決門立柱罩出現(xiàn)的經(jīng)常性開裂及脫落問題迫在眉睫。

1 問題分析

門立柱罩開裂與其結(jié)構(gòu)、原材料、生產(chǎn)工藝、安裝工藝，受力不均等因素有關(guān)。但主因是側(cè)頂板的沖擊力及方孔鎖的小搭接量導(dǎo)致門立柱罩受力過大而開裂，正常門區(qū)側(cè)頂板自重加上動(dòng)態(tài)地圖等設(shè)備約20 kg，即使按3 g的沖擊振動(dòng)算，理論上不會(huì)引起玻璃鋼門立柱罩開裂，但是對(duì)于在地鐵開門上下車的瞬間，客流量較大時(shí)，乘客可能會(huì)抓握側(cè)頂板，對(duì)側(cè)頂板造成瞬間1 600 N大沖擊，這個(gè)沖擊很易導(dǎo)致門立柱罩頂部折邊處的開裂。

2 方案確定

針對(duì)門立柱罩的上述問題，找到解決方案很有必要。目前提出的解決方案是在玻璃鋼材料的門立柱罩折邊上粘貼不銹鋼，或者使用鋁合金材料的門立柱罩。本文的主要目的是探究這兩種方案的可行性，故對(duì)4 mm玻璃鋼、6 mm玻璃鋼、4 mm玻璃鋼+1 mm不銹鋼板、2.5 mm鋁型材四種材料參數(shù)下地鐵門立柱罩簡(jiǎn)化模型進(jìn)行workbench有限元分析，材料參數(shù)見表1，示意圖見圖1。

圖1 門立柱罩模型

3 受力分析

本文采用workbench進(jìn)行有限元分析，其分析過程如下[3，4]。

3.1 載荷計(jì)算和邊界條件

經(jīng)研究調(diào)查正常門區(qū)側(cè)頂板自重加上動(dòng)態(tài)地圖等設(shè)備大概20 kg，即側(cè)頂板對(duì)門立柱罩的壓力為:F=20 N×9.8 N=196 N。

除了側(cè)頂板的重量外，車輛運(yùn)行過程中還必

須承受沖擊力或者乘客人為的拉力等，假設(shè)這些外力全加起來為1 600 N，側(cè)頂板對(duì)門立柱罩的壓力主要產(chǎn)生在方孔鎖的搭接量，其搭接面積為：S=20 mm2×15 mm2=300 mm2。

由于方孔鎖搭接的區(qū)域相對(duì)門立柱罩折邊來說很小，因此可看作是對(duì)門立柱罩折邊上的一點(diǎn)施加壓力，反映在門立柱罩簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格劃分后載荷施加的方式即為局部集中力，如圖2所示。門立柱罩是螺紋連接固定于車體，故對(duì)門立柱罩背部全約束，見圖3。

圖2 workbench分析過程

圖3 載荷與邊界條件

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)DIN EN 12663《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定，各個(gè)部件應(yīng)在各個(gè)工況的載荷綜合作用下，材料許用應(yīng)力與計(jì)算等效應(yīng)力之比應(yīng)不小于DIN EN 12663 第3.4.2節(jié)中規(guī)定的安全系數(shù)S (規(guī)定中若材料的屈服應(yīng)力作為許用應(yīng)力值，取S1為1.15，若用材料的抗拉強(qiáng)度作為許用應(yīng)力值，取S2 為1.5)[5]。即：

Rp0.2為材料屈服應(yīng)力；σb為材料抗拉強(qiáng)度；σc為計(jì)算等效應(yīng)力。

3.3 結(jié)果分析

針對(duì)4種設(shè)計(jì)方案，分別計(jì)算相同壓力作用下門立柱罩受到的最大應(yīng)力，其分析結(jié)果如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 4 mm玻璃鋼應(yīng)力圖

圖5 6 mm玻璃鋼應(yīng)力圖

圖6 4 mm玻璃鋼+1 mm不銹鋼應(yīng)力

圖7 2.5 mm鋁合金應(yīng)力圖

將上述4種分析結(jié)果的最大應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，得到表2。

表2 4種方案應(yīng)力對(duì)比表

4 結(jié)語

1)門立柱罩頂部折邊越厚，能承受的壓力越大，越不容易開裂。

2)增加不銹鋼的加強(qiáng)板，可提高門立柱罩頂部折邊的局部承載能力。

3)增加不銹鋼加強(qiáng)板，玻璃鋼的應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生變化。原始設(shè)計(jì)方案中應(yīng)力多分散在折邊區(qū)域；增加不銹鋼加強(qiáng)板后，應(yīng)力多集中在受壓區(qū)與彎角處。

4)鋁合金材質(zhì)的門立柱罩能承受的壓力最大，這充分說明鋁合金材質(zhì)的門立柱罩在車輛運(yùn)行過程中最不容易開裂。