□ 敬 敏

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 有軌電車開閉機構(gòu)概述

近年來,國內(nèi)有軌電車處于高速發(fā)展階段。有軌電車在中低運量交通工具中具有獨特的優(yōu)勢,成為我國除地鐵外城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分?，F(xiàn)代有軌電車車體結(jié)構(gòu)形式靈活多樣,主要分為單車型、浮車型、鉸接型三種。有軌電車具備噪聲小、乘坐舒適、經(jīng)濟性高等突出特點,在市場上擁有較大的發(fā)展前景[1-2]。開閉機構(gòu)是有軌電車的重要組成部位。開閉機構(gòu)安裝在車體最前端,與車體頭罩形成完整的有軌電車車頭結(jié)構(gòu)外形。開閉機構(gòu)的主要作用是保護車體前端車鉤等設(shè)備。在兩列車連掛運行或檢修牽引時,將開閉機構(gòu)的前端導(dǎo)流罩打開,露出車鉤進行連掛[3]。有軌電車在地面指定路線運行,與機動車和非機動車共享地面交通區(qū)域,開閉機構(gòu)的打開和關(guān)閉操作均由相關(guān)人員手動完成。由此,開閉機構(gòu)需具備操作簡單、安全可靠、打開和關(guān)閉無異響等要求[4]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

開閉機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)包括運動機構(gòu)、動力部件、導(dǎo)流罩、鎖定裝置四部分,如圖1所示。運動機構(gòu)采用的材料為Q355B鋼,動力部件采用空氣彈簧裝置,鎖定裝置采用分度銷。導(dǎo)流罩采用與車體頭罩相同的聚氨酯玻璃鋼復(fù)合材料,包含增強體和基體兩種組分,具備質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點[5-6]。聚氨酯玻璃鋼力學(xué)性能見表1。

圖1 開閉機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)

表1 聚氨酯玻璃鋼力學(xué)性能

運動機構(gòu)由連桿機構(gòu)組成,在動作過程中繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),使開閉導(dǎo)流罩的運動軌跡為特定曲線,保證導(dǎo)流罩不會與車體頭罩發(fā)生干涉。動力部件動作過程中,空氣彈簧向?qū)Я髡痔峁┫蛏系膭恿?無需操作人員費力操作。當(dāng)開閉機構(gòu)處于關(guān)閉位時,通過鎖定裝置鎖定轉(zhuǎn)臂與連接板,使整個開閉機構(gòu)保持閉合狀態(tài)。當(dāng)開閉機構(gòu)處于打開位時,開閉機構(gòu)在空氣彈簧的輔助動力及鎖定裝置鎖定轉(zhuǎn)臂的雙重作用下,保持打開狀態(tài)。

3 功能設(shè)計

開閉機構(gòu)采用手動操作方式,并且具有機械鎖定功能。當(dāng)開閉機構(gòu)打開或者關(guān)閉到位后,鎖定裝置將運動機構(gòu)鎖定以防止誤動作。

列車在正常運行時,開閉機構(gòu)處于關(guān)閉狀態(tài),鎖定裝置鎖定轉(zhuǎn)臂與連接板。此時,轉(zhuǎn)臂無法動作,導(dǎo)流罩被鎖定在關(guān)閉位置。

打開開閉機構(gòu)時,按照操作標志解鎖處于關(guān)閉位置的鎖定裝置,如圖2所示。解鎖方法為按動解鎖手柄旋轉(zhuǎn)180°,將把手鎖定至指示鎖槽。解鎖后,人工推動導(dǎo)流罩向上轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)臂隨之產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動作。當(dāng)導(dǎo)流罩轉(zhuǎn)動到一定位置時,限位螺栓阻止開閉機構(gòu)繼續(xù)運行,開閉機構(gòu)處于打開狀態(tài)。此時,手動關(guān)閉鎖定裝置,鎖定運動機構(gòu)。

圖2 關(guān)閉位置鎖定裝置

關(guān)閉開閉機構(gòu)時,按照操作標志解鎖處于打開位置的鎖定裝置,如圖3所示。推動導(dǎo)流罩向下轉(zhuǎn)動,限位螺栓與擋塊發(fā)生接觸,阻止開閉機構(gòu)進一步轉(zhuǎn)動,開閉機構(gòu)在空氣彈簧空氣壓力的作用下,保持關(guān)閉狀態(tài)。此時,轉(zhuǎn)動鎖定裝置手柄,可以鎖定運動機構(gòu)。

圖3 打開位置鎖定裝置

在列車單列運行時,開閉機構(gòu)處于關(guān)閉鎖定狀態(tài),處于關(guān)閉狀態(tài)的導(dǎo)流罩與車體玻璃鋼頭罩形成完整的列車空氣動力學(xué)外形,減小風(fēng)阻和風(fēng)噪。開閉機構(gòu)處于關(guān)閉位時,在空氣彈簧壓力和機構(gòu)重力的作用下實現(xiàn)鎖定,保持關(guān)閉狀態(tài),如圖4所示。

圖4 開閉機構(gòu)關(guān)閉狀態(tài)

在需要救援或重聯(lián)運行時,開閉機構(gòu)處于打開鎖定狀態(tài),以便車鉤能夠無障礙聯(lián)掛,并能夠適應(yīng)在不同曲線半徑上運行時車鉤擺角帶來的影響。開閉機構(gòu)處于打開位時,通過鎖定裝置限定開閉機構(gòu)的運動,實現(xiàn)鎖定功能,保持打開狀態(tài),如圖5所示。

圖5 開閉機構(gòu)打開狀態(tài)

4 有限元分析

根據(jù)開閉機構(gòu)在不同運行速度下的零部件安全性、可靠性要求,基于三維模型,對開閉機構(gòu)進行靜強度仿真分析計算。開閉機構(gòu)導(dǎo)流罩為聚氨酯玻璃鋼復(fù)合材料,因缺乏單層材料強度及模量數(shù)據(jù),采用與導(dǎo)流罩相同厚度的均質(zhì)材料代替復(fù)合材料進行計算。替代材料的機械性能依據(jù)以往相同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,通過有限元法比較計算得出[7]。導(dǎo)流罩與運動機構(gòu)連接的預(yù)埋件材料為06Cr19Ni10不銹鋼,運動機構(gòu)材料為Q355B鋼。各零部件材料的機械性能參數(shù)見表2。

表2 零部件材料機械性能參數(shù)

有限元分析時主要采用殼單元模擬,單元大小約為10 mm,厚度取設(shè)計值,螺栓和分度銷采用圓柱體單元進行模擬,其余連接處均采用耦合約束進行簡化[8]。

按計算工況的載荷以加速度形式對整個模型施加慣性載荷,風(fēng)壓載荷施加在整個模型的受壓面上。開閉機構(gòu)在車體上設(shè)置有安裝座,本次仿真分析的邊界條件為約束開閉機構(gòu)與車體安裝座處的X、Y、Z三個方向的平動自由度。邊界條件如圖6所示。

圖6 邊界條件

開閉機構(gòu)是有軌電車的設(shè)備附件,根據(jù)BS EN 12663-1:2010《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛的車體結(jié)構(gòu)要求-第1部分:機車和客車(及貨車的替換法)》標準中相關(guān)規(guī)定,安裝于車體上的懸掛設(shè)備裝置在任何方向能承受的最大沖擊加速度如下:縱向為3g,橫向為g,垂向為(1+C)g,C為相關(guān)受力因數(shù),g為重力加速度。在車端時C為2,在車輛中間時C為0.5,g取9.81 m/s2。

分析時所取風(fēng)壓載荷為2 500 Pa。靜強度考核采用第四強度理論,在任意應(yīng)力狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)不發(fā)生失效的條件為:

≤[σ]

(1)

式中:σe為等效應(yīng)力;[σ]為許用應(yīng)力;σ1、σ2、σ3依次為X、Y、Z方向的主應(yīng)力。

通過有限元分析,開閉機構(gòu)在關(guān)閉狀態(tài)下的應(yīng)力云圖如圖7所示。從圖7中可以看出,最大應(yīng)力產(chǎn)生于運動機構(gòu)轉(zhuǎn)臂彎角處,最大應(yīng)力值為170.7 MPa。材料為Q355B鋼,其許用應(yīng)力值為355 MPa,安全因數(shù)為2.08。其余的應(yīng)力較大點主要出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臂與導(dǎo)流罩凸臺連接件折彎處,應(yīng)力值為113.8 MPa,材料為Q355B鋼,安全因數(shù)為3.12。

圖7 開閉機構(gòu)關(guān)閉狀態(tài)應(yīng)力云圖

開閉機構(gòu)在打開狀態(tài)下的應(yīng)力云圖如圖8所示。從圖8中可以看出,最大應(yīng)力同樣產(chǎn)生于運動機構(gòu)轉(zhuǎn)臂彎角處,最大應(yīng)力值為162.5 MPa,材料為Q355B鋼,安全因數(shù)為2.18。其余的應(yīng)力較大點同樣出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臂與導(dǎo)流罩凸臺連接件折彎處,應(yīng)力值為119 MPa,材料為Q355B鋼,安全因數(shù)為2.98。

圖8 開閉機構(gòu)打開狀態(tài)應(yīng)力云圖

根據(jù)開閉機構(gòu)在打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)下的有限元分析計算結(jié)果,開閉機構(gòu)在對應(yīng)的計算載荷作用下,完全滿足BS EN 12663-1:2010標準規(guī)定的相關(guān)強度要求,主要受力點集中在運動機構(gòu)上。對此,在設(shè)計時需綜合考慮所選材料及零部件尺寸,避免開閉機構(gòu)質(zhì)量過大,影響整列有軌電車的軸質(zhì)量分配。

5 結(jié)束語

筆者對有軌電車開閉機構(gòu)進行設(shè)計,在設(shè)計時結(jié)合整車車體結(jié)構(gòu)影響因素,滿足車輛端部車鉤連掛的功能需求,同時滿足車體頭部的造型美觀要求。有限元分析計算表明,開閉機構(gòu)的強度滿足相關(guān)標準要求。隨著國內(nèi)有軌電車的快速發(fā)展,有軌電車的結(jié)構(gòu)設(shè)計將會更加成熟,筆者所設(shè)計的開閉機構(gòu)可以為后續(xù)相關(guān)設(shè)計工作提供技術(shù)參考。