某B型地铁车辆贯通道踏板结构优化和特性分析

侯本虎，孙光奇

(1.烟台工程职业技术学院 汽车工程系，山东 烟台 264000；2.中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心，吉林 长春 130062)

地铁车辆贯通道是相邻两车体端墙之间的连接部分，可以给乘客提供一个安全通道和站立空间，作为整列车内的可变形区域，还可在列车通过曲线时提供可恢复的变形能力。贯通道具有安全、舒适、隔声、防漏、防尘、耐候性强、寿命较长等优点，适用于在地下、地面和高架线路上运行的铁道车辆，满足铁道车辆在风、砂、雪、冰雹、沙尘、雾霾等恶劣环境的运行要求[1-4]。本文从地铁车辆贯通道踏板的翻转特性和侧墙回转机构安装结构等方面对某B型地铁车辆贯通道踏板进行结构优化，优化方案可在无需拆除侧护板安装座和回转机构的情况下实施，优化结构踏板可将上踏板翻转90°，满足清扫需要，在满足地铁车辆曲线通过和承载的性能要求的同时，有效解决了地铁车辆贯通道折棚底部的维护检修不方便的问题。

1 贯通道踏板结构及存在的问题

地铁车辆贯通道结构如图1所示，主要包括折棚组成、螺钉框组成、顶板组成、侧墙组成、踏板组成等。其中侧墙组成主要包括左右转轴机构体组成和一体式柔性侧护板组成。左右转轴机构体组成通过安装座与车体端墙接口连接，一体式柔性侧护板组成通过螺钉与回转机构上的转筒固定连接，回转机构是一种通过转筒内的弹簧伸缩来实现面板收缩、伸展的机构，可使柔性侧护板能够适应车体的相对运动。一体式柔性侧护板上下均装有橡胶挡板，侧护板上下运动时裙边通过弹性变形使其与车体的运动保持一致。

图1 地铁车辆贯通道结构

地铁车辆贯通道踏板采用上下踏板搭接的结构，如图2所示[5]。上踏板组成由支架、连接板、铰链、分体式踏板面和磨耗条组成；下踏板组成由支架、连接板、铰链及踏板面组成。上下踏板组成的支架与连接板装配在一起，连接板通过螺钉连接在车厢地板上，2个支架通过螺钉连接在车体端面上；上踏板组成的磨耗条安装在踏板面前端边沿的下面，使上踏板能够在相对应的不锈钢下踏板板面上光滑移动。在实际运用中，踏板各零部件间有相对运动，可以抵消部分高度落差和滑动，使贯通道在车辆运行中保持相对平坦。

图2 地铁车辆贯通道踏板结构

下踏板在贯通道中起支撑作用，不宜采用分体式折页板，而上踏板采用分体式折页板后可进行翻转，便于对贯通道踏板下方折棚进行清理。图3 为地铁车辆贯通道踏板翻转示意图。如图3所示，贯通道上踏板的翻转角度为36°，下踏板最大翻转角度为23°，转筒的转动芯轴露出长度为75 mm，阻碍了踏板的翻转，因此，采用这种传统踏板结构的地铁车辆，其折棚底部清理十分不便。

图3 地铁车辆贯通道踏板翻转示意图

2 贯通道踏板的优化方案

地铁车辆贯通道踏板的下踏板由1块连接板与不锈钢踏板面通过铰链连接，下方由3块支撑板支撑；上踏板搭接在下踏板上，上踏板面通过铰链与两侧折页连接，组成分体式踏板，折页可通过铰链进行翻转[6-8]。因此，将上踏板面左右折页铰链位置进行调整，从而在上踏板上翻的时候可以避开转筒，图4中红色虚线为踏板铰链修正方案；同时将转筒里的芯轴露出长度缩短50 mm，即由75 mm变为25 mm，以增加上踏板两侧折页和下踏板之间的避让空间，如图5所示。优化结构贯通道上踏板可上翻90°，下踏板可翻转45°，中间最大可展开292 mm的横向距离，满足折棚底部的正常清理需求。

图4 踏板铰链修正方案示意图

图5 优化结构贯通道踏板结构示意图

3 采用优化结构贯通道的某B型地铁车辆曲线通过能力计算

对采用优化结构贯通道的某B型地铁车辆进行曲线通过能力计算，以验证列车通过曲线时前后车辆发生相对运动时不会导致优化结构贯通道上下踏板之间产生比较大的间隙而危害乘客安全。车辆曲线通过性能计算的相关技术参数如表1所示，车辆曲线通过能力的理论计算结果如图6和图7所示。计算结果显示：列车通过曲线时，上踏板最大偏转角度为3.5°，下踏板最大偏转角度为9.8°，折棚内部无干涉，棚板、踏板无间隙，表明优化结构贯通道踏板满足车辆安全通过R120 m圆曲线和R120 m入曲线(从直线段进入R120 m曲线)的要求。

表1 车辆曲线通过性能计算相关技术参数

图6 R120 m圆曲线通过理论校核示意图

图7 R120 m入曲线通过理论校核示意图

4 优化结构贯通道踏板的承载模拟试验

4.1 有限元建立

单独截取优化结构贯通道踏板建立有限元模型，踏板两端与车体连接处设置固定的边界约束，有限元模型主要零部件有上下踏板和支架(图8)，踏板主要采用不锈钢材料[9-11]。

图8 踏板有限元模型

4.2 工况加载

根据技术条件要求，在图9所示的踏板区域内按照AW3乘客载荷(9人/m2)进行加载,每人质量取60 kg,踏板承载面积为0.945 m2。基于EN 12663：2010《铁道车辆车体的结构要求》的相关规定,安装在车体上的设备的悬挂装置在垂向能承受的最大冲击加速度为：车端(1+2)g，车辆中间(1+0.5)g。因此，取踏板垂向最大冲击加速度为 (1+2)g，计算得到踏板载荷为15 876 N。

图9 踏板承载区域示意图

4.3 静强度计算

根据EN 12663：2010要求，踏板组件的安全系数不得低于1.15，静强度分析中踏板整体零部件材料的许用应力为178.26 MPa，屈服强度为205 MPa。有限元模型的静强度计算结果如图10所示。计算结果显示，在规定工况条件下，踏板上最大应力出现在踏板支架上，为173.72 MPa，小于材料的屈服强度，对应的安全系数大于1.15，表明优化结构踏板强度满足静强度设计要求。

图10 踏板有限元模型的静强度计算结果

5 结论

本文从地铁车辆贯通道实际结构和日常运用维修的角度出发，对贯通道踏板进行了结构优化，并对优化结构贯通道踏板进行了特性仿真分析，得出以下结论：

(1) 在无需拆除侧护板安装座和回转机构的前提下，通过修改上踏板两端铰链位置和踏板折页尺寸，可以使上踏板上翻角度从36°提高到90°，下踏板上翻角度从23°提高到45°，加大了贯通道折棚底部的清理空间；

(2) 根据曲线运行线路的要求，选取了较为严格的R120 m圆曲线和R120 m车辆段最小半径曲线对优化结构踏板进行理论分析，分析结果表明，优化结构踏板可以满足车辆从直线段进入R120 m曲线的安全通过要求；

(3) 为验证优化结构贯通踏板是否满足AW3超员载荷要求，根据EN 12663：2010对部件的静强度规定建立了相应踏板的有限元模型，并按照AW3载荷加载进行有限元计算，计算结果表明，优化结构踏板的最大应力小于材料屈服强度，满足超员载荷的承载要求。