HXD2型電力機(jī)車新型重聯(lián)渡板設(shè)計(jì)

李德偉， 張江田， 李幸人， 李立山

(中車大同電力機(jī)車有限公司， 山西大同 037038)

隨著軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，用戶對(duì)電力機(jī)車的功能性和安全性的要求日益提高。HXD2型八軸電力機(jī)車的重聯(lián)渡板安裝在電力機(jī)車的后端部，是兩節(jié)機(jī)車之間重聯(lián)的重要部件，司乘人員通過(guò)重聯(lián)渡板可以在機(jī)車正常運(yùn)行的過(guò)程中，在兩節(jié)機(jī)車之間安全的通行。由于八軸電力機(jī)車有解編的要求，所以重聯(lián)渡板的設(shè)計(jì)既要考慮在兩節(jié)機(jī)車中間形成一個(gè)安全通道，還要能夠快速分離從而實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車的快速的解編，另外重聯(lián)渡板的狀態(tài)要隨著兩節(jié)機(jī)車的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷改變，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是電力機(jī)車設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。

到目前為止，在國(guó)內(nèi)線路上運(yùn)行的八軸電力機(jī)車的重聯(lián)渡板使用情況一直不盡如人意，許多用戶都提出八軸電力機(jī)車上使用的重聯(lián)渡板外觀不夠美觀、故障率高且存在一定的安全隱患等問(wèn)題。湖東機(jī)務(wù)段的苗樹東提到2014年1月至4月八軸電力機(jī)車重聯(lián)渡板發(fā)生碰撞變形53次[1]，湖東機(jī)務(wù)段的張志峰也提到八軸電力機(jī)車在2年檢時(shí)發(fā)現(xiàn)渡板發(fā)生多次碰撞變形[2]。很多專家也意識(shí)到重聯(lián)渡板存在這些問(wèn)題，也開展了很多研究工作，中車株洲電力機(jī)車有限公司(簡(jiǎn)稱：中車株機(jī)公司)的王璐科對(duì)重聯(lián)渡板發(fā)生變形的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)重聯(lián)渡板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改造，降低渡板的碰撞概率[3]，中車株機(jī)公司的何俊通過(guò)對(duì)重聯(lián)渡板的運(yùn)動(dòng)仿真提出了優(yōu)化渡板外形，被動(dòng)的避免渡板碰撞的方案和設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)渡板主動(dòng)避免渡板碰撞兩種方案[4]，而中車株機(jī)公司的李明明[5]和中車大連機(jī)車車輛有限公司(簡(jiǎn)稱：中車大連公司)的杜慧勇[6]都采用設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)的渡板來(lái)避免渡板碰撞問(wèn)題，同時(shí)提升渡板的美觀性和安全性。以上專家在解決八軸機(jī)車重聯(lián)渡板的問(wèn)題上都取得了一定了進(jìn)展，但到目前為止還沒(méi)有一個(gè)完美的方案徹底解決重聯(lián)渡板的問(wèn)題。文中在其他專家對(duì)渡板研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種全新的重聯(lián)渡板結(jié)構(gòu)，在提升的重聯(lián)渡板的美觀性和安全性的同時(shí)，解決八軸電力重聯(lián)渡板碰撞等故障問(wèn)題。

1　新型重聯(lián)渡板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1　新型渡板結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)重聯(lián)渡板的特點(diǎn)和功能分析研究，設(shè)計(jì)出一種新型的重聯(lián)渡板，新型重聯(lián)渡板包括固定支撐座、活動(dòng)渡板裝置、固定渡板和自動(dòng)復(fù)位彈簧運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂向彈簧穩(wěn)定裝置5個(gè)部分組成，其主要核心部分是采用可伸縮、傾斜并靠支撐彈簧自動(dòng)復(fù)位的活動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂向彈簧穩(wěn)定裝置，當(dāng)機(jī)車在啟動(dòng)、加速、減速、轉(zhuǎn)彎、上下坡時(shí)，隨著兩節(jié)機(jī)車之間的縱向、橫向和垂向距離增大或減小，此時(shí)連接在機(jī)車后端的重聯(lián)渡板會(huì)通過(guò)彈簧機(jī)構(gòu)以及垂向彈簧穩(wěn)定機(jī)構(gòu)跟隨機(jī)車運(yùn)動(dòng)并自動(dòng)復(fù)位，以保證機(jī)車正常運(yùn)行。新型渡板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-固定支撐座；2-固定渡板；3-垂向彈簧穩(wěn)定裝置；4-活動(dòng)渡板裝置；5-自動(dòng)復(fù)位彈簧運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖1　新型重聯(lián)渡板結(jié)構(gòu)

新型渡板的參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)HXD2型電力機(jī)車的技術(shù)參數(shù)要求設(shè)計(jì)的，與目前HXD2型電力機(jī)車上使用的重聯(lián)渡板接口一致，可以相互替換，并且新型渡板的參數(shù)設(shè)定可以滿足機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程各種極限條件工況下的渡板正常使用。

1.2　新型重聯(lián)渡板的功能參數(shù)(見表1)

表1　新型渡板功能參數(shù)

1.3　新型重聯(lián)渡板的功能描述

固定渡板是通過(guò)螺栓連接到渡板安裝座上，渡板安裝座通過(guò)螺栓連接到機(jī)車鋼結(jié)構(gòu)上，固定渡板采用不銹鋼材料，與車體連接的周邊鑲嵌密封條，用以保證密封性?；顒?dòng)渡板采用不銹鋼材料，主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是通過(guò)彈簧結(jié)構(gòu)與固定渡板連接，兩節(jié)機(jī)車的活動(dòng)渡板通過(guò)彈簧機(jī)構(gòu)擠壓，形成一個(gè)完整的過(guò)道。由于機(jī)車運(yùn)行時(shí)，兩節(jié)連掛的機(jī)車總是在不停的壓縮或者拉伸，通過(guò)彈簧機(jī)構(gòu)，活動(dòng)渡板實(shí)現(xiàn)拉伸、壓縮、偏移，保證了機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中渡板始終保持一個(gè)完整通道供司乘人員通行。

自動(dòng)復(fù)位彈簧運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向桿安裝在下固定渡板的導(dǎo)向管中，這樣限制了彈簧機(jī)構(gòu)帶動(dòng)活動(dòng)渡板只能縱向移動(dòng)，而彈簧機(jī)構(gòu)的前端通過(guò)一個(gè)滑動(dòng)桿安裝在活動(dòng)渡板上的滑動(dòng)槽中，活動(dòng)渡板在受力時(shí)就會(huì)沿著滑動(dòng)槽橫向滑動(dòng)，當(dāng)機(jī)車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，兩個(gè)彈簧機(jī)構(gòu)的彈簧受到的力不同，從而兩個(gè)彈簧的壓縮量就不同，活動(dòng)渡板就會(huì)一邊沿著彈簧的壓縮方向縱向移動(dòng)，一邊順著滑動(dòng)槽的方向橫向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)渡板橫向和縱向的運(yùn)動(dòng)組合。

兩節(jié)機(jī)車上的活動(dòng)渡板在彈簧機(jī)構(gòu)彈簧的壓力組成一條完整的渡板，兩個(gè)活動(dòng)渡板并非完全相同，在其中一個(gè)活動(dòng)渡板上裝有可活動(dòng)的圓鋼球，圓鋼球突出活動(dòng)渡板接觸面2 mm，兩個(gè)活動(dòng)渡板在彈簧的壓力下，相互接觸，由于有圓鋼球的存在，使兩個(gè)活動(dòng)渡板由面-面接觸變成了點(diǎn)-面的接觸，當(dāng)機(jī)車轉(zhuǎn)彎時(shí)，兩個(gè)活動(dòng)渡板相互滑動(dòng)，由滑動(dòng)摩擦變?yōu)榱藵L動(dòng)摩擦，從而大大降低了摩擦噪聲。 垂向彈簧穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的圓柱與活動(dòng)渡板連接在一起，穿過(guò)下固定渡板，通過(guò)彈簧的彈力將活動(dòng)渡板和下固定渡板壓在一起，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行時(shí)，活動(dòng)渡板和固定渡板之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)垂向彈簧穩(wěn)定機(jī)構(gòu)可以保證活動(dòng)渡板和固定渡板始終平行。功能描述見圖2。

2　新型重聯(lián)渡板的仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1　新型重聯(lián)渡板有限元分析

為了驗(yàn)證新型重聯(lián)的安全性，對(duì)新型重聯(lián)渡板應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行了強(qiáng)度校核和變形分析仿真計(jì)算。在活動(dòng)渡板面上任意位置施加200 kg質(zhì)量的垂向載荷，計(jì)算結(jié)果表明渡板裝置最大等效應(yīng)力為154 MPa，最大變形量為2 mm。而渡板的材料為Q235A，其許用應(yīng)力值為235 MPa，故安全系數(shù)在1.5以上，滿足強(qiáng)度要求，具體結(jié)果見圖3。

圖2　新型渡板功能圖

圖3　新型渡板強(qiáng)度校核及變形分析

2.2　新型重聯(lián)渡板運(yùn)動(dòng)模擬分析

機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，隨著線路的改變，重聯(lián)渡板是隨著機(jī)車的運(yùn)行而活動(dòng)，為了保證渡板可以安全可靠的使用，應(yīng)用CATIA的DMU運(yùn)動(dòng)模擬仿真模塊，將新型渡板的三維模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字樣機(jī)，依據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立各個(gè)部件之間的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模擬及分析。根據(jù)HXD2機(jī)車的招標(biāo)要求，機(jī)車能以5 km/h的速度安全通過(guò)R125曲線，并能在R250的曲線上進(jìn)行正常的摘掛作業(yè)，并考慮HXD2機(jī)車緩沖器壓縮行程為83 mm，設(shè)定了機(jī)車在6種運(yùn)動(dòng)情況下的渡板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，見表2。

表2　機(jī)車6種運(yùn)動(dòng)極限狀態(tài)

通過(guò)CATIA軟件的DMU模塊模擬其運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)新型渡板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，結(jié)果見圖4。圖中依次展現(xiàn)了機(jī)車在6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的新型渡板的極限狀態(tài)，通過(guò)DMU模擬，可以發(fā)現(xiàn)在各種極限狀態(tài)下，渡板之間、渡板與機(jī)車之間無(wú)碰撞發(fā)生，且其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)良好。結(jié)果表明新型渡板可以安全可靠的使用。

圖4　新型渡板運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果

2.3　新型重聯(lián)渡板裝車運(yùn)行試驗(yàn)

為了進(jìn)一步的驗(yàn)證新型渡板的性能，對(duì)新型渡板在HXD2型機(jī)車上進(jìn)行了裝車運(yùn)行試驗(yàn)，分別對(duì)新型渡板進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)。新型渡板在HXD2 1275號(hào)車上進(jìn)行試驗(yàn)，渡板安裝座與車體接口配合良好，安裝完畢后進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，檢查渡板與車體之間不存在干涉，渡板承載能力良好，與原渡板相比較，減少了渡板與車體之間的間隙，渡板的外觀狀態(tài)有提升，靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果總體效果良好。同時(shí)進(jìn)行了新型渡板動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，觀察了機(jī)車從連掛開始到運(yùn)行速度達(dá)到正常速度，以及通過(guò)道岔、過(guò)小半徑曲線等各種工況，并記錄了渡板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果表明在機(jī)車連掛、解鉤、加速、減速、過(guò)曲

線等工況下，渡板均能隨著機(jī)車的運(yùn)動(dòng)而拉伸、壓縮、旋轉(zhuǎn)以及自動(dòng)復(fù)位，渡板穩(wěn)定的形成一個(gè)安全穩(wěn)定的通道，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)效果良好。

圖5　新型渡板裝車試驗(yàn)照片

3　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)HXD2電力機(jī)車的重聯(lián)渡板進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)，新型渡板的功能參數(shù)滿足電力機(jī)車使用的條件，其強(qiáng)度校核及運(yùn)動(dòng)仿真都能滿足使用要求，且裝車運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果良好，與國(guó)內(nèi)鐵路上運(yùn)行的現(xiàn)車使用的渡板相比較，安全性、美觀性都有大幅度的提升，并且徹底解決現(xiàn)車上使用的重聯(lián)渡板發(fā)生碰撞變形的問(wèn)題，達(dá)到在HXD2型電力機(jī)車上批量的應(yīng)用的條件。