有轨电车开闭机构的设计与分析

2021-10-11□敬敏

装备机械 2021年3期

□ 敬敏

上海轨道交通设备发展有限公司上海 200245

1 有轨电车开闭机构概述

近年来,国内有轨电车处于高速发展阶段。有轨电车在中低运量交通工具中具有独特的优势,成为我国除地铁外城市轨道交通系统的重要组成部分。现代有轨电车车体结构形式灵活多样,主要分为单车型、浮车型、铰接型三种。有轨电车具备噪声小、乘坐舒适、经济性高等突出特点,在市场上拥有较大的发展前景[1-2]。开闭机构是有轨电车的重要组成部位。开闭机构安装在车体最前端,与车体头罩形成完整的有轨电车车头结构外形。开闭机构的主要作用是保护车体前端车钩等设备。在两列车连挂运行或检修牵引时,将开闭机构的前端导流罩打开,露出车钩进行连挂[3]。有轨电车在地面指定路线运行,与机动车和非机动车共享地面交通区域,开闭机构的打开和关闭操作均由相关人员手动完成。由此,开闭机构需具备操作简单、安全可靠、打开和关闭无异响等要求[4]。

2 结构设计

开闭机构的主要结构包括运动机构、动力部件、导流罩、锁定装置四部分,如图1所示。运动机构采用的材料为Q355B钢,动力部件采用空气弹簧装置,锁定装置采用分度销。导流罩采用与车体头罩相同的聚氨酯玻璃钢复合材料,包含增强体和基体两种组分,具备质量轻、成本低等优点[5-6]。聚氨酯玻璃钢力学性能见表1。

图1 开闭机构主要结构

表1 聚氨酯玻璃钢力学性能

运动机构由连杆机构组成,在动作过程中绕转轴旋转,使开闭导流罩的运动轨迹为特定曲线,保证导流罩不会与车体头罩发生干涉。动力部件动作过程中,空气弹簧向导流罩提供向上的动力,无需操作人员费力操作。当开闭机构处于关闭位时,通过锁定装置锁定转臂与连接板,使整个开闭机构保持闭合状态。当开闭机构处于打开位时,开闭机构在空气弹簧的辅助动力及锁定装置锁定转臂的双重作用下,保持打开状态。

3 功能设计

开闭机构采用手动操作方式,并且具有机械锁定功能。当开闭机构打开或者关闭到位后,锁定装置将运动机构锁定以防止误动作。

列车在正常运行时,开闭机构处于关闭状态,锁定装置锁定转臂与连接板。此时,转臂无法动作,导流罩被锁定在关闭位置。

打开开闭机构时,按照操作标志解锁处于关闭位置的锁定装置,如图2所示。解锁方法为按动解锁手柄旋转180°,将把手锁定至指示锁槽。解锁后,人工推动导流罩向上转动,转臂随之产生旋转动作。当导流罩转动到一定位置时,限位螺栓阻止开闭机构继续运行,开闭机构处于打开状态。此时,手动关闭锁定装置,锁定运动机构。

图2 关闭位置锁定装置

关闭开闭机构时,按照操作标志解锁处于打开位置的锁定装置,如图3所示。推动导流罩向下转动,限位螺栓与挡块发生接触,阻止开闭机构进一步转动,开闭机构在空气弹簧空气压力的作用下,保持关闭状态。此时,转动锁定装置手柄,可以锁定运动机构。

图3 打开位置锁定装置

在列车单列运行时,开闭机构处于关闭锁定状态,处于关闭状态的导流罩与车体玻璃钢头罩形成完整的列车空气动力学外形,减小风阻和风噪。开闭机构处于关闭位时,在空气弹簧压力和机构重力的作用下实现锁定,保持关闭状态,如图4所示。

图4 开闭机构关闭状态

在需要救援或重联运行时,开闭机构处于打开锁定状态,以便车钩能够无障碍联挂,并能够适应在不同曲线半径上运行时车钩摆角带来的影响。开闭机构处于打开位时,通过锁定装置限定开闭机构的运动,实现锁定功能,保持打开状态,如图5所示。

图5 开闭机构打开状态

4 有限元分析

根据开闭机构在不同运行速度下的零部件安全性、可靠性要求,基于三维模型,对开闭机构进行静强度仿真分析计算。开闭机构导流罩为聚氨酯玻璃钢复合材料,因缺乏单层材料强度及模量数据,采用与导流罩相同厚度的均质材料代替复合材料进行计算。替代材料的机械性能依据以往相同结构复合材料,通过有限元法比较计算得出[7]。导流罩与运动机构连接的预埋件材料为06Cr19Ni10不锈钢,运动机构材料为Q355B钢。各零部件材料的机械性能参数见表2。

表2 零部件材料机械性能参数

有限元分析时主要采用壳单元模拟,单元大小约为10 mm,厚度取设计值,螺栓和分度销采用圆柱体单元进行模拟,其余连接处均采用耦合约束进行简化[8]。

按计算工况的载荷以加速度形式对整个模型施加惯性载荷,风压载荷施加在整个模型的受压面上。开闭机构在车体上设置有安装座,本次仿真分析的边界条件为约束开闭机构与车体安装座处的X、Y、Z三个方向的平动自由度。边界条件如图6所示。

图6 边界条件

开闭机构是有轨电车的设备附件,根据BS EN 12663-1:2010《铁路应用-铁道车辆的车体结构要求-第1部分:机车和客车(及货车的替换法)》标准中相关规定,安装于车体上的悬挂设备装置在任何方向能承受的最大冲击加速度如下:纵向为3g,横向为g,垂向为(1+C)g,C为相关受力因数,g为重力加速度。在车端时C为2,在车辆中间时C为0.5,g取9.81 m/s2。

分析时所取风压载荷为2 500 Pa。静强度考核采用第四强度理论,在任意应力状态下,结构不发生失效的条件为:

≤[σ]

(1)

式中:σe为等效应力;[σ]为许用应力;σ1、σ2、σ3依次为X、Y、Z方向的主应力。

通过有限元分析,开闭机构在关闭状态下的应力云图如图7所示。从图7中可以看出,最大应力产生于运动机构转臂弯角处,最大应力值为170.7 MPa。材料为Q355B钢,其许用应力值为355 MPa,安全因数为2.08。其余的应力较大点主要出现在转臂与导流罩凸台连接件折弯处,应力值为113.8 MPa,材料为Q355B钢,安全因数为3.12。