淺析CJ-1城際動車組司機蹬車門設計

李占一,張曉明

（長春軌道客車股份有限公司, 長春 130062）

1 前言

我國研究開發(fā)時速200 km/h～250 km/h經(jīng)濟型城際列車，滿足城際間多點?？?、大啟動加速度、大運量、快速乘降的要求是中國高速鐵路快速發(fā)展和實施走出去戰(zhàn)略的需要。本文著重分析城際動車組司機蹬車門的安裝結(jié)構及其材質(zhì)選用，為今后城際動車組蹬車門的設計研發(fā)奠定基礎。

2 車門簡介

CJ-1城際動車組車司機蹬車門為手動折頁門，整體吊裝方式為門框與側(cè)墻鋁結(jié)構預埋的鋼螺套與12個螺栓連接。整個門系統(tǒng)主要包括：門扇、折頁、門鎖、止擋裝置、整體門框，與門框集成一體的蹬車扶手。

3 技術參數(shù)

蹬車門系統(tǒng)的強度必須達到不會因在列車運行中所承受的空氣動力壓力、車輛加速、沖擊應力、旅客使用、行李沖擊、行李靠著門等任何作用在系統(tǒng)上的力，而造成永久變形和損壞的要求。應滿足車輛三個方向動態(tài)沖擊應力的要求要求，在x方向的動態(tài)沖擊應力為5g；在y方向的動態(tài)沖擊應力為1g；在z方向的動態(tài)沖擊應力為3g。

蹬車門系統(tǒng)應能夠承受2500N/m2的均布載荷，同時在門扇中央施加800N的集中載荷。門板四周變形最大變形量不大于1.5mm，永久變形量小于0.2mm。

蹬車門系統(tǒng)應能夠承受+/- 6000Pa空氣動力負載，以滿足兩輛列車以250Km/h駛過時空氣對門扇產(chǎn)生的應力。蹬車門系統(tǒng)應滿足20萬次交替負載，+/- 6000Pa疲勞載荷下，應保證：門系統(tǒng)各部件不發(fā)生塑性變形，應力值不大于材料的屈服極限[1]。

4 計算分析

為了分析司機蹬車門吊裝結(jié)構及安裝螺栓強度，分別計算預緊力工況及運營工況，對司機蹬車門螺栓連接部位建立實體接觸有限元模型，施加預緊力工況計算，并對整個吊裝結(jié)構建立殼單元有限元模型，以梁單元模擬螺栓，施加運營工況計算，并將兩工況下鋁結(jié)構螺栓孔周圍的最大應力合成得到總應力值；通過計算提取各個螺栓承受載荷，采用仿真分析和理論計算相結(jié)合的辦法對螺栓進行了校核[2]。

蹬車門整體吊裝結(jié)構有限元模型離散為33969個節(jié)點，35641個單元。

司機門框與鋁結(jié)構連接處M8螺栓預緊力為13000N。參照EN12663標準對該吊裝結(jié)構施加橫向（Z向）加速度，垂向（Y向）加速度和縱向（X向）加速度，并且車門表面承受±6000Pa氣壓，根據(jù)三個方向加速度及車門表面承受氣壓值組合了16種不同的載荷工況，如表1所示（根據(jù)以往經(jīng)驗，表2只列顯載荷比較大的8中情況）。司機蹬車門吊裝結(jié)構所用材料性能如表2所示。

表1 運營載荷工況列表

6+3 g -1 g (1 + c)g -60007-3 g +1 g (1 + c)g -60008-3 g -1 g (1 + c)g -6000

表2 吊裝結(jié)構材料性能參數(shù)表

4.1 螺栓強度計算基本理論依據(jù)

4.1.1 螺栓總拉力計算

通常對于被聯(lián)接鋼板間所用墊片為金屬墊片或無墊片時螺栓的相對剛度Cb/(Cb+Cm)取值為0.2～0.3,本次計算 Cb/(Cb+Cm)=0.3 。

4.1.2 螺栓疲勞應力計算

并由此計算出相關參數(shù)應力幅。

4.1.3 承受工作剪力計算

當螺栓桿與孔壁發(fā)生接觸擠壓時螺栓桿與孔壁的擠壓強度及剪切強度計算

4.2 計算結(jié)論

根據(jù)EN12663標準，對司機蹬車門螺栓連接部位進行預緊力工況計算，并對整個吊裝結(jié)構進行十六種運營工況計算，計算結(jié)論如下：

（1）該吊裝結(jié)構中鋁結(jié)構在預緊力及16種運營工況組合下的最大應力值為159.362MPa，小于材料的屈服強度225MPa。

（2）該吊裝結(jié)構螺栓在16種工況下的最大拉應力為 493.73MPa，小于螺栓的最大拉伸許用應力700MPa，其安全系數(shù)為1.42，滿足強度設計要求。

（3）該吊裝結(jié)構螺栓在16種工況下的最大剪切應力為57.34MPa，小于螺栓的最大許用剪切應力,225MPa，其安全系數(shù)為3.92，滿足強度設計要求。

（4）該吊裝結(jié)構螺栓在16種工況下的最大擠壓應力為78.92MPa，小于螺栓的最大許用擠壓應力360MPa，其安全系數(shù)為4.56，滿足強度設計要求。

（5）該吊裝結(jié)構螺栓在五種工況下的最大疲勞應力幅為 2.49MPa，小于螺栓的最大疲勞許用應力180MPa，其安全系數(shù)為72.29，滿足強度設計要求。

[1]UIC 566-90，客車車體及其零部件的載荷[S].

[2]王勖成.有限元算法[M].北京:清華大學出版社，2003:2-3.