動力集中型動車組動力車端部通道設計

杜慧勇，王鐵峰，徐繼鑫，趙剛，王肇凱

(中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116020)*

隨著國民經濟的迅猛發展和人民生活水平日益提高，為滿足廣大旅客在舒適性、經濟性、安全性等方面的需求，時速160 km動力集中動車組作為普速鐵路旅客列車的迭代升級產品應運而生[1-4].動力集中動車組與高鐵、動車不同，牽引動力集中在動力機車上，因此，動力集中動車組動力車與拖車的結構和功能大不相同.動力車端部需要兼顧端部車門安裝與貫通道安裝，同時動力車端部還需要有一定的吸能減震功能[5-6].為此，動力車端部通道進行了結構優化設計[6-9]，在保證車端連接器強度的前提下，最大限度的進行了兩種設備(車門與貫通道)安裝結構的整合、優化，減少了焊縫，輕量化效果明顯；局部采用了粘接結構加強，避免了焊接變形，進一步地，改善了貫通道安裝時因密封不嚴造成的滲漏問題.

1 現有技術的不足

1.1 高鐵車輛后端部

以CRH5型高鐵為例，目前它的后端部車門安裝在鋁合金后端墻上，貫通道的安裝使用了玻璃鋼安裝框(圖1)，玻璃鋼安裝框一端連接于車體后端墻上，另一端用于貫通道的安裝.存在結構重復的遺憾，且玻璃鋼安裝框結構復雜，預埋件多，成型難，安裝精度難以保證.

1.2 機車后端部

以中車大連研制的HXD3A八軸貨運電力機車和中車大同研制的HXD2八軸貨運電力機車為例，它們的機車后端門與橡膠風擋的安裝方案采用車體后端墻鋼結構上安裝門框及后端車門；在車體后端墻上焊接碳鋼風擋安裝框(圖2)，用于橡膠風擋的安裝.同樣存在結構重復，重量大，焊接量大，易產生焊接變形等缺陷，偶爾會有橡膠風擋與后端墻風擋安裝框密封不嚴，出現漏水現象.

圖2 橡膠風擋安裝框示意圖

針對現有技術中，結構重復、焊接變形大、密封不良、無吸能減震功能等不足，動力集中動車組動力車端部優化結構，提升技術勢在必行.

動力車前端為司機室，后端與載客拖車連接.動力車后端墻與動力車底架、側墻、頂蓋形成封閉的端部通道結構，完成動力車與拖車的車端連接的任務.動力車端部通道的核心結構是車端連接器，如圖3所示，作為車體后端墻主結構的車端連接器，一側為車端入口門提供安裝接口，另一側為貫通道提供安裝接口.

圖3 車體后端墻

2 動力車端部通道的核心結構改進

焊接在車體后端墻中間的的車端連接器是動力車端部通道的核心，它兼顧了貫通道與車端入口門的安裝.

如圖4所示，車端連接器中對稱設置了左側板和右側板，左、右側板均為板材壓制成型，翻邊(折邊)帶來強度與剛度的提升，且避免了焊接變形；左右側板的短翻邊側與門上梁、門下梁，壓型角鋼組焊成車端入口門的安裝結構；左右側板的長翻邊側與頂梁、底梁組焊成貫通道的安裝結構，從而實現了端部入口門安裝與貫通道安裝的集成.摒棄了原門框安裝結構與貫通道或風擋安裝框各自獨立的設計方案.新方案使用了薄板壓型折邊技術，在確保結構強度與剛度的前提下，大幅減少了焊縫，且輕量化效果明顯.

圖4 車端連接器(結構圖)

圖4中左右側板的長翻邊側與頂梁、底梁組焊后，整體加工貫通道的安裝孔位，從而實現了貫通道安裝接口的模塊化設計及安裝.該結構改進與原技術方案比較，有利于批量生產，從而降低制造成本.

如圖5所示，貫通道安裝側，左右側板翻邊后的單板安裝貫通道存在振動風險.于是在貫通道安裝板內側均布了12個封端角鋼(圖6)，并采用了粘接的方式安裝該角鋼.角鋼為壓型角鋼，角鋼兩端焊有4 mm厚封端鋼片，角鋼兩端采用彈性密封膠分別粘接于車體后端墻與貫通道安裝板內側，彈性膠層的設計使該結構具有了一定的吸能減震功能.

圖5 車端連接器(結構圖B-B)

如圖6所示，膠層厚度為4 mm，膠層周邊留有R3～R5的膠弧.角鋼的粘接方案有效避免了焊接給車體后端墻蒙皮及貫通道安裝平面造成的焊接變形，解決了貫通道安裝后密封不良而出現的滲漏的問題；角鋼粘接方案還有效減輕了貫通道對鋼結構的沖擊，具有一定吸能減震的效果，可延長貫通道的壽命.

圖6 車端連接器(C向與I)

經分析，封端角鋼的粘接位置沿左、右側板上翻邊垂向均布，角鋼布置間距為440 mm，受力狀態良好，角鋼與貫通道安裝平面鋼板邊緣留有約5 mm用于膠弧的間隙，有利于增大粘接面積，改善膠層受力狀況，延長膠層使用壽命.

動力車端部通道的核心結構-車端連接器，采用巧妙、簡潔的技術方案，完美集成了動力車端部通道的三大功能:①車端入口門的安裝；②貫通道的安裝；③具有吸能減震功能.

3 有限元仿真分析

動力集中動車組動力車車體建立了車體結構有限元力學模型；基于EN 12663-1:2010《Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》標準，采用了NASTRAN軟件高級分析技術進行有限元仿真分析.車體端部通道隨整車進行了有限元分析，最惡劣工況為縱向壓縮工況，該工況最大應力點在車體后端墻上橫梁減重孔處，位置如圖7所示(局部放大).縱向壓縮時該處最大應力為297.032 MPa，遠小于許用應力460 MPa.

圖7 車體后端墻應力云圖(縱向壓縮工況)

由此可見，動力集中動車組動力車端部通道結構的輕量化設計，滿足強度要求.

4 結論

動力集中動車組動力車端部通道的輕量化設計，融合了對膠粘劑和粘接技術應用的元素，比原端部通道技術方案至少減重25%，為動力集中動車組動力車整車的優化設計做出了貢獻，同時也為動力集中動車組動力車成為眾人矚目的焦點提供了有力的依據.目前該動力車端部通道的核心-車端連接器已獲得國家發明專利授權，裝車近百臺，優異的產品性能贏得了業主的信賴.