高速动车组异形排障器结构设计

王晓绒，王海钧，王赵华

(中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

排障器是用于轨道列车排除线路障碍物，以避免发生脱轨等运行事故的安全防护装置。一些车组车辆在头车两端底架前部设置信号系统(见图1)，信号系统可保证列车精准停车(停车偏差不超过±300 mm)，对列车正常运营非常重要。为保证该系统的功能稳定，信号系统天线设备周围一定范围内不允许存在金属器件。信号系统在车行方向上需要很大的调整范围，同时，信号系统极大地占用了车辆底架的前端空间，导致排障器没有足够的安装空间。排障器若置于信号系统之后则与转向架互相干涉；若置于信号系统之前，即使与车体最前端连接，也很难避免产生一个较大的悬臂，强度难以实现，且与车辆前端开闭机构等设备会互相干涉。排障器异形结构可以有效解决以上问题，基于此，本文致力于设计一种占用空间小、轻量化且强度高的异形排障器。

图1 排障器及车辆信号系统安装示意

1 排障器结构

排障器位于头车底架前端，主要由排障板、上下盖板、支架及内部加强梁等组成。其功能为动车组运行时将轨道上的障碍物清出轨道，防止障碍物卷入或侵入转向架，以保护动车组设备和人员安全。排障器通过螺栓与车体底架相连。排障器材料采用不同板厚的16 MnDR以及Q460E，材料性能如表1所示。排障器设计强度满足EN 12663 P-Ⅱ要求，碰撞性能满足EN 15227 C-1要求，设计寿命30年。

表1 所用材料性能

1.1 异形凹结构

排障器主结构内部示意图如图2所示(排障器上盖板部分未显示)。车辆底架下部前端设备集中，空间狭窄，为了让出车辆信号系统的安装空间，排障器主结构进行了异形结构设计，中间横梁打断，形成凹形结构。横梁打断对排障器结构的受力非常不利，结构强度受损严重。为使排障器可以满足EN 15227标准的相关要求，对排障器主结构的内部进行了纵向加强。排障器主结构内部的梁体大部分采用折弯件，可以很大程度增强材料的强度和刚度，同时对内部梁以及筋板进行合理的布置，以补充横梁打断造成的整体结构强度不足的问题。

1—凹型梁；2—支架；3—翼板；4—下盖板；5—上盖板；6—加强筋板；7—L型梁；8—排障板；9—U型梁。

排障器下盖板由板材折弯而成，中间凹型梁由3段U型梁拼接为梯形结构。内部加强梁为L型梁和U型梁，由板材折弯而成。下盖板与L型梁和U型梁之间通过插接方式连接形成箱型体以增强刚度，箱型体的结构可以很大程度上提升排障器主结构的强度和刚度，可以补偿由于横梁打断导致的排障器强度和刚度不足的问题。排障器上盖板内部设计有塞焊孔，通过塞焊孔实现上盖板与排障器内部L型梁和U型梁之间的连接，解决了焊接空间不足的问题。

排障器上盖板以上设计有加强筋板，均由板材加工而成，具有较大的圆角，在受力过程中，可以释放部分内应力。加强筋板与排障器主结构内部的L型梁和U型梁对齐布置。加强筋连接排障器支架、排障板、上盖板，在此处形成上下对齐布置的双层箱型梁结构，极大程度增强了排障器的强度和刚度，补偿了排障器横梁打断造成的强度和刚度损失。其力传导如图3中箭头所示，可以将力直接传导至车体。

图3 排障器力传导示意

2.2 轻量化设计

在保证排障器强度的前提下，对排障器进行了一系列轻量化设计。排障器采用一体化设计(安装支架与排障器主结构采用焊接方式连为一体)较同样速度和强度等级分体式设计(安装支架与排障器主结构之间采用螺栓连接)轻100 kg左右。一体式结构对安装的要求更高，排障器支架安装面及车体底架安装面均在装配之前进行机加工，保证2个安装面平面度均不大于2 mm。安装支架与排障板之间不留间隙，无缝连接，这样既减轻的重量，还可以增强排障器的强度。

此外，对于应力相对较小的区域设置了减重孔。为保证排障器在运行过程中内部无积水，在排障器每处与外界相通的腔体的最低处都设置了排水孔，同时兼具减重孔。

2.3 焊接顺序

该排障器结构特殊，形状复杂，为保证排障器主结构内部各部件之间焊缝具有良好的焊接空间，需要设计排障器结构安装和焊接顺序方案，以实现最优的焊接质量。该方案为：先安装并焊接下盖板与U型梁和L型梁；将排障板组焊后与上工序组件安装并焊接；将上盖板与上工序安装，通过塞焊进行连接；焊接其他附件。

上述设计使该异形排障器的强度足够高，可以满足EN 15227标准中对排障器强度要求的最高等级标准，却只有270 kg。

3 部件间的连接

3.1 与车体的连接

排障器与车体之间通过40颗10.9级M16的螺栓连接。为保证排障器与车体之间连接的可靠性，还进行了二次防脱设计。在车辆底架适当位置和排障器适当位置设置连接点(此处为开孔)，通过钢丝绳连接。钢丝绳长度适当，排障器正常运作时，钢丝绳处于放松状态；排障器螺栓失效时，钢丝绳为绷紧状，且长度不宜过长，保证排障器不接触轨面。设置适当个数的钢丝绳连接点，确保排障器任何螺栓失效排障器任何部位均不接触轨面。

3.2 与导流罩的连接

排障板上部设置螺纹结构，通过该结构可实现与导流罩的无缝连接，该结构可以避免雪从排障器上空卷入车辆内部，保护车辆前端电气设备，如图4所示。

图4 排障器与导流罩连接示意

4 有限元分析

为验证排障器设计的合理性，对采用了此排障器结构的动车组车体进行了静强度仿真计算。采用有限元分析法，应用大型有限元分析软件ANSYS对其进行结构强度与刚度分析。车体强度分析基于欧洲标准EN 12663-1：2010进行。根据标准EN 15227和列车最高运营速度160 km/h，排障器静强度计算有2种工况，如表2所示。工况1 的载荷在中心负载位置，工况2的载荷在离中心线水平距离750 mm处的位置。

表2 排障器的载荷工况

计算结果表明:排障器各部件的应力均未大于该部位所选材料的许用应力(见图5)，其中排障器的最大应力为294 MPa，小于所选材料的屈服强度。计算结果显示排障器各部位的强度满足标准要求。

图5 排障器应力云图

5 结语

目前，排障器已成功完成样机试制，并进行了静强度试验，试验按照EN 12663标准规定的工况进行，数据显示没有部位出现应力超标，且试验结果与计算结果基本相符，表明排障器结构满足设计强度要求。该排障器的成功设计制造，极大地节约了车辆下部空间，解决了安装空间不足的问题，从而保证列车稳定性。