某B型地鐵車輛貫通道踏板結(jié)構(gòu)優(yōu)化和特性分析

侯本虎，孫光奇

(1.煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，山東 煙臺 264000；2.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062)

地鐵車輛貫通道是相鄰兩車體端墻之間的連接部分，可以給乘客提供一個安全通道和站立空間，作為整列車內(nèi)的可變形區(qū)域，還可在列車通過曲線時提供可恢復(fù)的變形能力。貫通道具有安全、舒適、隔聲、防漏、防塵、耐候性強、壽命較長等優(yōu)點，適用于在地下、地面和高架線路上運行的鐵道車輛，滿足鐵道車輛在風(fēng)、砂、雪、冰雹、沙塵、霧霾等惡劣環(huán)境的運行要求[1-4]。本文從地鐵車輛貫通道踏板的翻轉(zhuǎn)特性和側(cè)墻回轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)等方面對某B型地鐵車輛貫通道踏板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化方案可在無需拆除側(cè)護板安裝座和回轉(zhuǎn)機構(gòu)的情況下實施，優(yōu)化結(jié)構(gòu)踏板可將上踏板翻轉(zhuǎn)90°，滿足清掃需要，在滿足地鐵車輛曲線通過和承載的性能要求的同時，有效解決了地鐵車輛貫通道折棚底部的維護檢修不方便的問題。

1 貫通道踏板結(jié)構(gòu)及存在的問題

地鐵車輛貫通道結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括折棚組成、螺釘框組成、頂板組成、側(cè)墻組成、踏板組成等。其中側(cè)墻組成主要包括左右轉(zhuǎn)軸機構(gòu)體組成和一體式柔性側(cè)護板組成。左右轉(zhuǎn)軸機構(gòu)體組成通過安裝座與車體端墻接口連接，一體式柔性側(cè)護板組成通過螺釘與回轉(zhuǎn)機構(gòu)上的轉(zhuǎn)筒固定連接，回轉(zhuǎn)機構(gòu)是一種通過轉(zhuǎn)筒內(nèi)的彈簧伸縮來實現(xiàn)面板收縮、伸展的機構(gòu)，可使柔性側(cè)護板能夠適應(yīng)車體的相對運動。一體式柔性側(cè)護板上下均裝有橡膠擋板，側(cè)護板上下運動時裙邊通過彈性變形使其與車體的運動保持一致。

圖1 地鐵車輛貫通道結(jié)構(gòu)

地鐵車輛貫通道踏板采用上下踏板搭接的結(jié)構(gòu)，如圖2所示[5]。上踏板組成由支架、連接板、鉸鏈、分體式踏板面和磨耗條組成；下踏板組成由支架、連接板、鉸鏈及踏板面組成。上下踏板組成的支架與連接板裝配在一起，連接板通過螺釘連接在車廂地板上，2個支架通過螺釘連接在車體端面上；上踏板組成的磨耗條安裝在踏板面前端邊沿的下面，使上踏板能夠在相對應(yīng)的不銹鋼下踏板板面上光滑移動。在實際運用中，踏板各零部件間有相對運動，可以抵消部分高度落差和滑動，使貫通道在車輛運行中保持相對平坦。

圖2 地鐵車輛貫通道踏板結(jié)構(gòu)

下踏板在貫通道中起支撐作用，不宜采用分體式折頁板，而上踏板采用分體式折頁板后可進行翻轉(zhuǎn)，便于對貫通道踏板下方折棚進行清理。圖3 為地鐵車輛貫通道踏板翻轉(zhuǎn)示意圖。如圖3所示，貫通道上踏板的翻轉(zhuǎn)角度為36°，下踏板最大翻轉(zhuǎn)角度為23°，轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動芯軸露出長度為75 mm，阻礙了踏板的翻轉(zhuǎn)，因此，采用這種傳統(tǒng)踏板結(jié)構(gòu)的地鐵車輛，其折棚底部清理十分不便。

圖3 地鐵車輛貫通道踏板翻轉(zhuǎn)示意圖

2 貫通道踏板的優(yōu)化方案

地鐵車輛貫通道踏板的下踏板由1塊連接板與不銹鋼踏板面通過鉸鏈連接，下方由3塊支撐板支撐；上踏板搭接在下踏板上，上踏板面通過鉸鏈與兩側(cè)折頁連接，組成分體式踏板，折頁可通過鉸鏈進行翻轉(zhuǎn)[6-8]。因此，將上踏板面左右折頁鉸鏈位置進行調(diào)整，從而在上踏板上翻的時候可以避開轉(zhuǎn)筒，圖4中紅色虛線為踏板鉸鏈修正方案；同時將轉(zhuǎn)筒里的芯軸露出長度縮短50 mm，即由75 mm變?yōu)?5 mm，以增加上踏板兩側(cè)折頁和下踏板之間的避讓空間，如圖5所示。優(yōu)化結(jié)構(gòu)貫通道上踏板可上翻90°，下踏板可翻轉(zhuǎn)45°，中間最大可展開292 mm的橫向距離，滿足折棚底部的正常清理需求。

圖4 踏板鉸鏈修正方案示意圖

圖5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)貫通道踏板結(jié)構(gòu)示意圖

3 采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)貫通道的某B型地鐵車輛曲線通過能力計算

對采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)貫通道的某B型地鐵車輛進行曲線通過能力計算，以驗證列車通過曲線時前后車輛發(fā)生相對運動時不會導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)構(gòu)貫通道上下踏板之間產(chǎn)生比較大的間隙而危害乘客安全。車輛曲線通過性能計算的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示，車輛曲線通過能力的理論計算結(jié)果如圖6和圖7所示。計算結(jié)果顯示：列車通過曲線時，上踏板最大偏轉(zhuǎn)角度為3.5°，下踏板最大偏轉(zhuǎn)角度為9.8°，折棚內(nèi)部無干涉，棚板、踏板無間隙，表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)貫通道踏板滿足車輛安全通過R120 m圓曲線和R120 m入曲線(從直線段進入R120 m曲線)的要求。

表1 車輛曲線通過性能計算相關(guān)技術(shù)參數(shù)

圖6 R120 m圓曲線通過理論校核示意圖

圖7 R120 m入曲線通過理論校核示意圖

4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)貫通道踏板的承載模擬試驗

4.1 有限元建立

單獨截取優(yōu)化結(jié)構(gòu)貫通道踏板建立有限元模型，踏板兩端與車體連接處設(shè)置固定的邊界約束，有限元模型主要零部件有上下踏板和支架(圖8)，踏板主要采用不銹鋼材料[9-11]。

圖8 踏板有限元模型

4.2 工況加載

根據(jù)技術(shù)條件要求，在圖9所示的踏板區(qū)域內(nèi)按照AW3乘客載荷(9人/m2)進行加載,每人質(zhì)量取60 kg,踏板承載面積為0.945 m2?；贓N 12663：2010《鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》的相關(guān)規(guī)定,安裝在車體上的設(shè)備的懸掛裝置在垂向能承受的最大沖擊加速度為：車端(1+2)g，車輛中間(1+0.5)g。因此，取踏板垂向最大沖擊加速度為 (1+2)g，計算得到踏板載荷為15 876 N。

圖9 踏板承載區(qū)域示意圖

4.3 靜強度計算

根據(jù)EN 12663：2010要求，踏板組件的安全系數(shù)不得低于1.15，靜強度分析中踏板整體零部件材料的許用應(yīng)力為178.26 MPa，屈服強度為205 MPa。有限元模型的靜強度計算結(jié)果如圖10所示。計算結(jié)果顯示，在規(guī)定工況條件下，踏板上最大應(yīng)力出現(xiàn)在踏板支架上，為173.72 MPa，小于材料的屈服強度，對應(yīng)的安全系數(shù)大于1.15，表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)踏板強度滿足靜強度設(shè)計要求。

圖10 踏板有限元模型的靜強度計算結(jié)果

5 結(jié)論

本文從地鐵車輛貫通道實際結(jié)構(gòu)和日常運用維修的角度出發(fā)，對貫通道踏板進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對優(yōu)化結(jié)構(gòu)貫通道踏板進行了特性仿真分析，得出以下結(jié)論：

(1) 在無需拆除側(cè)護板安裝座和回轉(zhuǎn)機構(gòu)的前提下，通過修改上踏板兩端鉸鏈位置和踏板折頁尺寸，可以使上踏板上翻角度從36°提高到90°，下踏板上翻角度從23°提高到45°，加大了貫通道折棚底部的清理空間；

(2) 根據(jù)曲線運行線路的要求，選取了較為嚴(yán)格的R120 m圓曲線和R120 m車輛段最小半徑曲線對優(yōu)化結(jié)構(gòu)踏板進行理論分析，分析結(jié)果表明，優(yōu)化結(jié)構(gòu)踏板可以滿足車輛從直線段進入R120 m曲線的安全通過要求；

(3) 為驗證優(yōu)化結(jié)構(gòu)貫通踏板是否滿足AW3超員載荷要求，根據(jù)EN 12663：2010對部件的靜強度規(guī)定建立了相應(yīng)踏板的有限元模型，并按照AW3載荷加載進行有限元計算，計算結(jié)果表明，優(yōu)化結(jié)構(gòu)踏板的最大應(yīng)力小于材料屈服強度，滿足超員載荷的承載要求。