賈惠臻
?
高速動車組防脫落底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計
賈惠臻
(青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司工程部,山東 青島 266111)
針對高速動車組車身輕量化的要求,文章介紹了一種具有防脫落結(jié)構(gòu)的輕型鋁合金底板,結(jié)合底板的設(shè)計要求,進行結(jié)構(gòu)分析,并對底板結(jié)構(gòu)進行強度計算,通過振動沖擊試驗驗證這種防脫落底板的可靠性。
底板結(jié)構(gòu);鋁焊接;防脫落;應(yīng)力水平;靜強度;疲勞強度;振動沖擊
隨著我國高速鐵路迅猛發(fā)展,列車運行速度的不斷提升,動車組輕量化、可靠性、舒適性、安全性的要求更加嚴格。為減小空氣阻力和保護車下設(shè)備,動車組設(shè)有車下設(shè)備艙,底板作為設(shè)備艙的主要組成部分,位于車下設(shè)備正下方,具備防石擊、密封等功能。
目前國內(nèi)底板設(shè)計多選用鋼質(zhì)或鋁型材,重量較大。時速250公里動車組對底板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,減輕重量,采用螺栓連接并增加了防脫裝置。本文從三維設(shè)計、強度計算、振動沖擊試驗三方面分析底板結(jié)構(gòu)并驗證其可靠性。
底板應(yīng)能保護車下設(shè)備,強度及剛度應(yīng)滿足實際運用需要,承受艙內(nèi)負壓及正常運行過程中由于壓力波而導致的全部空氣動力載荷。
底板應(yīng)能承受動車組運行中的各種振動和沖擊,在運行速度范圍內(nèi)不會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象,振動和沖擊性能符合IEC 61373標準。
用于底板安裝的緊固件應(yīng)有防松功能,經(jīng)常拆卸的底板應(yīng)采用多次可拆卸結(jié)構(gòu),便于拆裝并可重復使用,并具有防脫落結(jié)構(gòu)。
底板應(yīng)能滿足密封性要求,避免雨、雪、雜物的進入。
底板位于車下設(shè)備艙的最下部,以鋁合金板為主要材質(zhì),輔以鋁型材為加強筋,這種結(jié)構(gòu)的底板質(zhì)量較輕,每塊一米寬的底板僅重25kg。具體結(jié)構(gòu)如下:采用鋁合金板作為基材,在鋁板上橫向焊接鋁型材增加強度,鋁板周圍焊接鋁型材作為邊框,均使用點焊以減小應(yīng)力集中。鋁板安裝在邊框內(nèi),且尺寸大于邊框開口,保證即使個別焊點失效,仍具備防脫落性能。底板與邊框型材焊接后周圈打膠以保證設(shè)備艙密封性。底板焊接組成見圖1。
圖1
底板安裝在固定于車體下邊梁的骨架上,為保證連接可靠,每塊底板使用44~48組T型螺栓連接在骨架型材上。T螺栓上有橡膠限位塊,可防止螺栓上下躥動。螺栓連接后涂抹防腐劑。底板安裝結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2
圖3
圖4
為防止緊固件脫落,在緊固件外部安裝防脫蓋板,蓋板上有T型安裝座(見圖4),通過骨架下部型材的蓋板插口(見圖3)安裝,蓋板安裝后,使用止擋(見圖3)防止蓋板橫向躥動。為保證設(shè)備艙密封性,蓋板使用密封條(圖2)及橡膠堵(圖3)密封,并在止擋區(qū)域縫隙處涂抹密封膠。
使用Catia軟件建立三維模型,將模型導入HyperMesh軟件,生成有限元模型,輸入材料屬性,建立邊界條件。有限元模型見圖5。
圖5
通過對靜態(tài)和疲勞載荷兩種工況進行強度計算,校核底板結(jié)構(gòu)。載荷工況選取自標準EN12663。計算結(jié)果包含底板的應(yīng)力水平(圖6);底板變形量(圖7);焊縫靜強度及疲勞強度;螺栓連接的疲勞強度計算。依據(jù)標準DVS1608計算鋁焊縫疲勞強度;螺栓連接評定按照標準VDI2230;根據(jù)標準EN15085評定點焊的靜態(tài)強度,進行振動沖擊試驗評估點焊的疲勞強度。計算結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)強度滿足標準要求。
圖6
圖7
表1 振動試驗條件
表2 沖擊試驗條件
為驗證底板結(jié)構(gòu)的可靠性,對底板樣件進行振動沖擊試驗,根據(jù)標準IEC 61373-2010的規(guī)定,使用試驗頻率:f1=5Hz,f2=150Hz。選取六個底板的固定點作為控制點,選用底板中心均勻分布的9個點作為響應(yīng)點,安裝傳感器并記錄試驗數(shù)據(jù)。依次按橫向、縱向、垂向的順序?qū)υ囼灱M行振動試驗和沖擊試驗。振動試驗條件見表1,沖擊試驗條件見表2。
試驗記錄三個方向的控制和響應(yīng)曲線;對比傳遞函數(shù)曲線,以檢查振動沖擊試驗之后試驗件的結(jié)構(gòu)是否變化;對于重要焊縫,需進行探傷處理,對比試驗前后焊縫變化。經(jīng)分析處理,試驗結(jié)果如下:
1)試驗件無視覺變形,機械結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化;
圖8 Z向振動試驗結(jié)束時1~9測點的響應(yīng)曲線
圖9 Z向振動試驗前后測點1傳遞函數(shù)曲線比較
2)傳遞函數(shù)無明顯變化;
3)焊縫無裂紋萌生或擴展。
試驗結(jié)果表明底板的振動和沖擊性能滿足IEC 61373的要求。
圖10 試驗前后裂紋探傷結(jié)果(角2)
本文介紹的高速列車輕型底板結(jié)構(gòu),已安全運行120萬公里。采用鋁合金板材加型材的結(jié)構(gòu),增加了防脫落裝置,既滿足整車輕量化及強度要求,又提高了底板的安全性、可靠性。這種輕質(zhì)底板結(jié)構(gòu)的成功運用,為我國動車組輕量化技術(shù)提供重要依據(jù)。
[1] 標準IEC 61373鐵路應(yīng)用-機車車輛設(shè)備-沖擊和振動試驗.
[2] 標準EN 12663鐵路車輛車身結(jié)構(gòu)要求.
[3] 標準EN 15085鐵路設(shè)施-鐵路車輛和部件的焊接.
[4] 標準DVS 1608鋁焊接接頭的設(shè)計與疲勞強度評定.
[5] 標準VDI 2230高強度螺栓連接的系統(tǒng)計算.
Structural Design of High-speed EMU Anti-shedding Bottom Cover
Jia Huizhen
( Engineering EMU, Bombardier Sifang Transportation Ltd., Shandong Qingdao 266111 )
In order to meet the requirement of light weight of high-speed EMU body,this paper introduces a kind of light-type aluminium alloy bottom cover with anti-shedding structure.According to the design requirements of the bottom plate,analyses the structure,calculates the strength of bottom plate,verify the reliability of the anti-shedding bottom cover by shock and vibration tests.
Bottom cover structure;Aluminium welding;Anti-shedding;Stress level;Static strength;Fatigue strength;Vibration and shock
U465
A
1671-7988(2019)07-178-03
賈惠臻,畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學,工學學士。職稱:工程師。就職于青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司?,F(xiàn)任工程部車外設(shè)計工程師,主要負責動車組外部產(chǎn)品的研發(fā)工作。
U465
A
1671-7988(2019)07-178-03
10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.059