王國(guó)慶，薛學(xué)棟，李雨蔚，鄂鵬宇，蘇曉峰

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 國(guó)家工程研究中心，山東 青島 266111；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266111)

目前動(dòng)車組客室側(cè)門主要有塞拉門和內(nèi)置式側(cè)拉門兩種[1]。內(nèi)置式側(cè)拉門的結(jié)構(gòu)和控制方式簡(jiǎn)單，在日系動(dòng)車組平臺(tái)得到了廣泛使用，但因其模塊化程度較低，且安裝及檢修調(diào)整項(xiàng)點(diǎn)較多，已不能適應(yīng)動(dòng)車組側(cè)門發(fā)展要求[2]；塞拉門結(jié)構(gòu)模塊化程度高，容易實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，在歐系動(dòng)車組平臺(tái)應(yīng)用較廣，已成為動(dòng)車組客室側(cè)門的主流門型。國(guó)內(nèi)動(dòng)車組客室側(cè)門結(jié)構(gòu)選型順應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，在動(dòng)車組統(tǒng)型設(shè)計(jì)中采用了塞拉門結(jié)構(gòu)[3]。

動(dòng)車組在正常運(yùn)行、通過(guò)隧道運(yùn)行及會(huì)車等過(guò)程中，車內(nèi)外會(huì)產(chǎn)生較大氣壓差，客室側(cè)門作為車體側(cè)墻的一部分，承受著和車體側(cè)墻等同的大氣壓力，如果鎖閉力不足容易導(dǎo)致車門喪失氣密性甚至出現(xiàn)異常打開(kāi)的情況，嚴(yán)重影響行車安全。針對(duì)動(dòng)車組內(nèi)置式側(cè)拉門結(jié)構(gòu)，李善飛 等[4]研究了側(cè)拉門在運(yùn)營(yíng)壽命中承受的疲勞載荷工況，并通過(guò)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了側(cè)拉門長(zhǎng)期服役的疲勞性能；王國(guó)慶 等[5]通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了側(cè)拉門在不同工作條件下壓緊裝置輸出力矩均大于外部載荷作用力矩，能夠滿足動(dòng)車組正常運(yùn)行的安全性要求。針對(duì)動(dòng)車組塞拉門結(jié)構(gòu),徐泉軍 等[6]對(duì)某型地鐵塞拉門扇進(jìn)行有限元仿真分析與模態(tài)分析，找出了門扇變形嚴(yán)重區(qū)域與共振頻率，為門扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)和避免車輛與門扇共振提供了理論依據(jù)；王金 等[7]分析了25T型客車在運(yùn)行中塞拉門下導(dǎo)軌、攜門架、鎖閉裝置鎖銷出現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)制訂了優(yōu)化改進(jìn)方案。

由于目前對(duì)于動(dòng)車組塞拉門鎖閉狀態(tài)下安全問(wèn)題研究較少，本文通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析對(duì)動(dòng)車組塞拉門輔助鎖輸出力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，驗(yàn)證塞拉門輔助鎖結(jié)構(gòu)的鎖閉安全性能滿足要求。

1 動(dòng)車組塞拉門及其輔助鎖結(jié)構(gòu)

塞拉門主要由承載驅(qū)動(dòng)裝置、輔助鎖、主鎖、門扇和門框等組成(圖1)。塞拉門門扇通過(guò)攜門架與承載驅(qū)動(dòng)裝置連接，其質(zhì)量主要由承載驅(qū)動(dòng)裝置承載，其開(kāi)閉動(dòng)作由集成在承載驅(qū)動(dòng)裝置上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠控制，門扇動(dòng)作主要包括沿車寬方向的塞拉動(dòng)作和沿車長(zhǎng)方向的開(kāi)閉動(dòng)作。

圖1 塞拉門結(jié)構(gòu)

塞拉門輔助鎖為氣動(dòng)鎖閉結(jié)構(gòu)，主要由鎖體、氣缸、轉(zhuǎn)臂、鎖舌和復(fù)位彈簧等零部件組成(圖2)，其主要作用是利用車輛供給的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸活塞，氣壓經(jīng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為鎖鉤的鎖閉力。輔助鎖工作氣壓為0.45～0.7 MPa，校核鎖閉力時(shí)按其最低工作氣壓(0.45 MPa)計(jì)算。

圖2 輔助鎖結(jié)構(gòu)

在動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中，塞拉門主鎖提供過(guò)死點(diǎn)機(jī)械鎖閉功能，同時(shí)車輛始終給輔助鎖供氣，使輔助鎖鎖舌壓緊門扇上的鎖扣，與安裝在車體上的門前擋斜楔塊相配合，保證了車門鎖閉安全。2把輔助鎖提供了車門鎖閉所需的主要壓緊力，是保證動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中塞拉門鎖閉安全的關(guān)鍵部件。圖3為塞拉門輔助鎖鎖閉斷面示意圖。

圖3 輔助鎖鎖閉斷面示意圖

2 輔助鎖鎖閉力分析

日本標(biāo)準(zhǔn)JISE 7106：2006《鐵路機(jī)車車輛客車車體設(shè)計(jì)一般要求》規(guī)定了鐵路機(jī)車車輛車體設(shè)計(jì)中必須承載載荷的一般要求[8]，其中要求氣密強(qiáng)度試驗(yàn)中的試驗(yàn)壓力P按式(1)計(jì)算：

P=380×(V/200)2×9.806 65

(1)

式中：V——列車最高運(yùn)行速度，km/h。

我國(guó)350 km/h速度等級(jí)動(dòng)車組氣密強(qiáng)度要求為12 kPa，該指標(biāo)的確定參考了JISE 7106：2006和國(guó)際鐵路協(xié)會(huì)發(fā)布的UIC 660：2002《保證高速列車技術(shù)兼容性的措施》[9]，同時(shí)考慮了我國(guó)武廣線線路試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

動(dòng)車組塞拉門凈開(kāi)寬度根據(jù)需求分為2種：800 mm和900 mm，兩者區(qū)別僅在于門扇寬度不同，其他主要結(jié)構(gòu)一致。在車內(nèi)正壓條件下，門扇面積越大其承受的壓力越大，輔助鎖的受力也越苛刻，因而本文選擇寬幅塞拉門為研究對(duì)象校核輔助鎖的鎖閉力。

2.1 輔助鎖承受作用力

在車內(nèi)正壓達(dá)到12 kPa條件下，作用在寬幅塞拉門門扇上的大氣壓力F的計(jì)算公式如下：

F=P′×S

(2)

式中：P′——車內(nèi)正壓最大值，取12 kPa；

S——寬幅塞拉門門扇面積，取S=2.1 m2。

通過(guò)式(2)計(jì)算得到：F=25 200 N。

當(dāng)塞拉門處于完全鎖閉狀態(tài)時(shí)，門板外部周圈的密封膠條壓縮量達(dá)到最大，經(jīng)測(cè)試，在此條件下每100 mm長(zhǎng)密封膠條可提供16.5 N的回彈力。作用在密封膠條上的總回彈力F彈的計(jì)算公式如下：

F彈=F′×L/100

(3)

式中：F′——每100 mm長(zhǎng)密封膠條達(dá)到最大壓縮量時(shí)的回彈力，F(xiàn)′=16.5 N；

L——門板密封膠條總長(zhǎng)度，取L=6 000 mm。

通過(guò)式(3)計(jì)算得到：F彈=990 N。

門扇作用在輔助鎖上的力如圖4所示。

Ff.門扇作用在輔助鎖上的平行作用力。

作用在門扇上的大氣壓力及密封膠條壓縮回彈力主要由門前擋的斜楔塊和門后擋的1把主鎖與2把輔助鎖承擔(dān)。假設(shè)門后擋所承受的力在主鎖和輔助鎖上平均分配，根據(jù)力的平衡原理，作用在單個(gè)輔助鎖上的力FN的計(jì)算公式如下：

FN=(F+F彈)/(2×3)

(4)

式(4)中，2表示作用在門扇上的大氣壓力及膠條壓縮回彈力在門前擋和門后擋平均分配，3表示分配在門后擋上的大氣壓力及密封膠條壓縮回彈力由1把主鎖和2把輔助鎖共同承擔(dān)。通過(guò)式(4)計(jì)算得到：FN=4 365 N。

在此工況下垂直作用于輔助鎖鎖舌面的力F3′=FN×cos55°=4 365×cos55°=2 504(N)。

2.2 輔助鎖鎖閉安全性分析

為校核輔助鎖鎖閉力，對(duì)輔助鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)化，其受力模型如圖5所示。在動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中，如需保證車門的鎖閉密封性能，則由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)輔助鎖氣缸所提供的鎖閉力必須大于車內(nèi)最大正壓條件下門扇傳遞給輔助鎖的力。

在車輛供氣壓力一定的前提條件下，輔助鎖氣缸輸出力的大小主要取決于輔助鎖氣缸缸徑大小。輔助鎖氣缸輸出力F1的計(jì)算公式如下：

F1=P1×S1-Ft=P1×πD2/4-Ft

(5)

式中：P1——輔助鎖最低工作氣壓，取0.45 MPa；

S1——輔助鎖氣缸截面積，mm2；

D——輔助鎖氣缸缸徑，取D=63 mm；

Ft——輔助鎖氣缸復(fù)位力，F(xiàn)t=53 N。

通過(guò)式(5)計(jì)算得到：F1=1 350 N。

F2.鎖舌滾輪與轉(zhuǎn)臂之間作用力；F3.門扇在輔助鎖鎖舌上的垂直作用力；F4.轉(zhuǎn)臂復(fù)位彈簧力。

輔助鎖在鎖閉狀態(tài)下受力達(dá)到平衡，根據(jù)力的平衡原理對(duì)O點(diǎn)建立如下力矩平衡公式：

F2×9.6+F4×23.6-F1×cos25°×25=0

(6)

在輔助鎖鎖閉條件下F4=118 N，根據(jù)式(6)可計(jì)算出輔助鎖鎖舌滾輪與轉(zhuǎn)臂之間作用力F2=2 896 N。根據(jù)力的作用與反作用原則，轉(zhuǎn)臂作用在鎖舌上的力F2′也為2 896 N，方向與F2相反。

式(7)為根據(jù)力平衡原理對(duì)鎖舌轉(zhuǎn)動(dòng)O′點(diǎn)建立的力矩平衡公式：

F2′×28-F3×23.2-M=0

(7)

式中：M——鎖舌復(fù)位扭簧扭矩，取M=825 N·mm。

通過(guò)式(7)可計(jì)算出在0.45 MPa供氣條件下，門扇在輔助鎖鎖舌上的垂直作用力F3=3 460 N。在車內(nèi)正壓達(dá)到12 kPa條件下，門扇作用在單個(gè)輔助鎖上的力為2 504 N，可計(jì)算出在車內(nèi)正壓為12 kPa條件下輔助鎖鎖閉安全系數(shù)a=3 460/2 504=1.38，滿足輔助鎖鎖閉安全要求。

3 輔助鎖鎖體強(qiáng)度仿真分析

采用有限元軟件對(duì)輔助鎖鎖體強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，建立的輔助鎖有限元計(jì)算模型如圖6所示。輔助鎖鎖體通過(guò)4個(gè)螺栓緊固安裝在門后端車體立柱上，在有限元計(jì)算模型中對(duì)鎖體安裝螺栓孔位移全約束。

圖6 輔助鎖有限元計(jì)算模型

建立有限元模型后對(duì)輔助鎖中各零部件分別進(jìn)行材料參數(shù)賦值，為簡(jiǎn)化模型和方便計(jì)算，對(duì)材料屬性做出以下假設(shè)：

(1) 零部件為各向同性材料；

(2) 輔助鎖受力時(shí)各零部件的變形均在材料線性范圍內(nèi)。

輔助鎖主要零部件材料參數(shù)如表1所示。

表1 輔助鎖主要零部件材料參數(shù)

在車內(nèi)正壓達(dá)到12 kPa條件下輔助鎖受力工況最為惡劣，此時(shí)將垂直作用于輔助鎖鎖舌面的力加載到有限元模型上，以校核輔助鎖主要零部件的應(yīng)力。圖7為輔助鎖載荷示意圖，圖7中黑色箭頭代表垂直作用在輔助鎖鎖舌面的力。

圖7 輔助鎖載荷示意圖

3.1 鎖體應(yīng)力計(jì)算

輔助鎖鎖體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。計(jì)算結(jié)果顯示，輔助鎖鎖體最大應(yīng)力為230 MPa，出現(xiàn)在鎖體懸臂段根部和螺栓孔剛性約束處。在輔助鎖受力情況下，鎖體懸臂段根部和螺栓孔處為所受彎矩最大區(qū)域，同時(shí)也承受著門扇通過(guò)鎖舌所傳遞過(guò)來(lái)的剪力，在彎矩和剪力的共同作用下應(yīng)力達(dá)到最大值。鎖體材料為ZL101A-T5鑄鋁，其屈服強(qiáng)度為265 MPa，最大應(yīng)力處材料安全系數(shù)S=265/230=1.152，能夠滿足EN 12663∶2000《鐵道應(yīng)用 軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定的安全系數(shù)大于1.15的要求[10]。

3.2 鎖舌應(yīng)力計(jì)算

輔助鎖鎖舌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9所示，計(jì)算結(jié)果顯示，鎖舌最大應(yīng)力為66.7 MPa，出現(xiàn)在鎖舌滾輪軸孔拐角位置。鎖舌材料為40Cr鋼，其屈服強(qiáng)度為785 MPa，最大應(yīng)力處材料安全系數(shù)S=785/66.7=11.7，能夠滿足EN 12663∶2000要求。

圖8 輔助鎖鎖體應(yīng)力云圖

圖9 輔助鎖鎖舌應(yīng)力云圖

3.3 轉(zhuǎn)臂應(yīng)力計(jì)算

輔助鎖轉(zhuǎn)臂應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10所示，鎖舌最大應(yīng)力為53.3 MPa，發(fā)生在轉(zhuǎn)臂端部位置。鎖舌材料為40Cr鋼，其屈服強(qiáng)度為785 MPa，應(yīng)力最大處材料安全系數(shù)S=785/53.3=14.7，能夠滿足EN 12663∶2000要求。

圖10 輔助鎖轉(zhuǎn)臂應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析動(dòng)車組塞拉門結(jié)構(gòu)，選擇受力工況較惡劣的寬幅塞拉門作為研究對(duì)象，建立簡(jiǎn)化輔助鎖受力模型進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示，動(dòng)車組在車內(nèi)極限正壓條件下以最低工作壓力(0.45 MPa)給輔助鎖供氣時(shí)，其輸出鎖閉力大于門扇傳遞的作用力，表明能夠滿足鎖閉安全要求；建立了塞拉門輔助鎖有限元計(jì)算模型，采用有限元軟件對(duì)輔助鎖主要組成零部件進(jìn)行強(qiáng)度仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，在車內(nèi)最大正壓條件下輔助鎖鎖體、鎖舌和轉(zhuǎn)臂的最大應(yīng)力處安全系數(shù)均大于1.15，能夠滿足EN 12663∶2000中關(guān)于安全系數(shù)的要求。

后續(xù)需繼續(xù)開(kāi)展塞拉門主鎖鎖閉安全、輔助鎖動(dòng)作疲勞壽命和門扇在內(nèi)外壓差條件下的疲勞壽命研究，以進(jìn)一步驗(yàn)證塞拉門系統(tǒng)的鎖閉安全。