动车组头部开闭机构设计优化与仿真分析

胡哲龙

摘要：本文通过对动车组头部开闭机构进行有限元计算分析，优化了设计结构。对开闭机构在不同运行工况下的应力及位移结果进行了比较分析，并把仿真计算与试验结果进行了对比，计算结果与试验结果相一致。

关键词：动车组开闭机构;设计优化;有限元计算

安全、快捷、舒适是现代轨道交通追求的三大目标。随着列车的不断提速，列车空气阻力的影响越来越明显，当列车时速超过160Km/h时，空气阻力占总阻力的70%;当列车时速超过350Km/h时，空气阻力占总阻力的90%以上。为了减少空气阻力，高速列车的外型设计普遍采用流线型車体，并将车钩等传统列车产品上的一些外露设备、装置安装在车体的内部，然后在外头安装头部端盖。

开闭机构的主要用途是能使动车组在非正常牵引工况下进行调车作业时，流线型车头盖能方便地通过电控操作实现开启、关闭，以实现与全自动车钩联接，而在正常运行时能保持动车头盖的关闭和自锁，以保持良好的空气动力学性能及外形平整美观。该装置可避免动车组进行调车作业时，只能卸下车头盖，调车作业之后再装上车头盖，这样既费时又费力，而且易损坏车头盖。而且在运输高峰期时，通过该装置能使两列同样的动车组前端的流线型车头盖开启，以实现两列动车组的重联运行。本文通过对动车组头部开闭机构进行有限元计算分析，对开闭机构在不同运行工况下的应力及位移结果进行了比较分析，并把仿真计算与试验结果进行了对比，计算结果与试验结果相一致。

1 有限元模型及边界条件

有限元法是结构分析的一种数值计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的应用和发展。[1]在进行结构强度计算过程中，有限元的计算可归结为三大方程的联合统一[2]，平衡方程、几何方程和物理方程—弹性本构关系，静力有限元平衡方程，其形式为：

模型中忽略了次要的圆角、倒角等细节，可以减小计算量，对所关心的计算结果不会产生较大影响，有限元模型如图1，模型的网格采用线性壳单元和非协调实体线性单元，整个模型单元数为83748，节点数为107879。模型的装配、前处理、计算及后处理通过ABAQUS实现。

模型中共有两种材料Q235和Q345，它们的力学性能参数如表1所示。

2 计算载荷和约束条件

在开闭机构计算中所考虑的计算载荷主要包括：开闭机构本身的自重及各种工况下结构所受载荷。运行工况为分别为列车在350Km/h时速下明线单车、明线交会、隧道单车、隧道交会下开闭机构表面的空气压力，通过数值计算得到的各个载荷工况施加到四个安装座集中点上，模型的边界条件，在上面六个定位孔和下部位置采用全约束。

3开闭机构结构强度评定标准

开闭机构为钢型材（Q235和Q345）的焊接结构。根据DIN EN 12663《铁道车辆车体结构要求》规定，开闭机构应在各个工况的载荷综合作用下，材料的许用应力与计算等效应力之比应不小于DIN EN 12663第3.4.2节中规定的安全系数S1 （规定中取S1 为1.15）。即：

4 计算结果

4.1位移结果

从四种工况的位移图可知：工况4隧道交会开闭机构变形最大，为1.942mm，发生在右部悬臂下端。

4.2 Mises应力结果

4.3 结果分析

四种工况的变形结果和应力结果如下表2，3所示：

从以上的位移变形结果和效应力分析可知：工况4隧道交会时开闭机构主要部件的等效应力最大，且整个模型在工况4隧道交会变形最大，综合变形和应力结果得到工况4条件最恶劣。所有模型在4种载荷工况下最大应力均未超过安全系数。

5试验加载

为进一步验证数值计算的准确性，本项目后期通过加载试验所得数据与计算数据进行比较，数据基本吻合。

6结论

综合上述分析可以得出以下结论：

1）对于开闭机构的各个部件，在四种载荷工况下的安全系数均高于DIN EN 12663第3.4.2节中规定的安全系数S1 （规定中取S1 为1.15），满足强度要求;

2）开闭机构现场实测应力值与数值计算值相差不大，且大部分实测值与计算值有较好的一致性，进而说明数值计算结果的准确性;

参考文献：

[1] Qi Fan. Computerized Modeling and Simulation of Spiral Bevel and Hypoid Gears Manufacture by Gleason Face Hobbing Process[J].Journal of Mechanical Design，2006，128：235-241

[2] 苏向震，何江达，陈方竹.有限元计算中模型选择对结果的影响.红水河.2007，（2）：61-65.

[3] 张艳_基于HyperMesh的25型客车建模

[4] UIC566 Loadings of coach bodies and their components

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