动车组外风挡开发应用研究

中国中车株洲电力机车有限公司 张 坤 孟令锋 陈跃忠

动车组外风挡开发应用研究

中国中车株洲电力机车有限公司 张 坤 孟令锋 陈跃忠

动车组外风挡安装在车辆中间贯通道连接处，主要功能为改善车辆外观，优化车辆空气动力学，降低车辆运行阻力和风噪。目前，国内动车组外风挡主要采用国外产品，存在采购维护成本高、供货周期长、技术响应慢等问题。本文研究动车组U型外风挡的设计与开发技术，探讨外风挡的设计流程。本文所设计开发的外风挡各项性能指标均满足车辆外形要求和曲线通过能力要求，并已在动车组项目中得到应用。

动车组；外风挡；结构设计；橡胶胶囊

1.前言

我国铁路沿线风环境复杂多变，对动车组运行安全产生严重威胁［1，2］。风挡结构在动车组连挂和运行中起着非常重要的作用［3，4］。高速动车组的风挡分为外风挡和内风挡两部分［5］，其中外风挡安装在车辆中间贯通道连接处，主要功能为改善车辆外观，优化车辆空气动力学，降低车辆运行阻力和风噪，已成为国内外动车组的标准配置。

目前，国内动车组外风挡主要采用国外产品，存在采购维护成本高、供货周期长、技术响应慢等问题。因此，有必要设计开发国产化的外风挡产品，摆脱国外供应商的制约，进而降低采购成本。本文研究动车组U型外风挡的设计与开发技术，探讨外风挡的设计流程，助力于国内动车组外风挡产品的国产化。

2.动车组外风挡总体结构设计

根据动车组项目需求所设计的U型外风挡结构如图1所示，其主要由橡胶胶囊、安装骨架、内外压条以及紧固件等组成。

图1　动车组U型外风挡总体结构示意图

2.1外风挡尺寸的初步设计

根据两车车端距为920mm，外风挡安装距离595mm。即可确定出外风挡高度＞300mm，结合其外观，美观要求及胶囊的硬度，确定外风挡高度为307mm。另外，由车体外墙面、车体端墙外侧确定外风挡长度与宽度分别为2685mm、237mm。

2.2橡胶胶囊的设计

胶囊为橡胶材料，采用整体模压硫化方式，保证橡胶的材料性能，同时为确保整体美观，橡胶表面喷涂特殊弹性油漆。其高度根据满足机车运行条件下车端面对橡胶产生的挤压量设计而成。实现一定强度下的压缩，保证机车在停止状态时胶囊外形直挺美观，外风挡与车体面安装方便，且不影响整体美观。

2.3安装骨架的设计

车体安装骨架承载两种功能：一是将外风挡和车端相连，二是将橡胶胶囊固定。考虑到重量和强度要求，其主体部分的材质将采用铝型材6005A-T6。同时考虑车体上的安装接口形式，则在其上应设计相应的带安装孔的连接板。连接板和主体部分将进行焊接。

2.4内外压条的设计

压条主要解决橡胶胶囊的压紧固定问题。其材质也将采用铝型材6005A-T6，便于成型，其外型将和安装框架大体一致。

3.动车组外风挡应力分析

本节通过ANSYS软件对动车组外风挡进行应力分析［6］。对动车组结构分析可知，其左右两侧外风挡结构一致，且其安装形式类似，故其受力状态也是一致的。故选其中一个安装骨架进行应力分析即可。安装骨架采用6061-T6铝型材，其极限抗拉强度为124 Mpa，屈服强度 55.2 MPa，延伸率25.0 %，弹性系数68.9 GPa，弯曲极限强度228 Mpa，泊松比0.33，具备良好的力学性能。

模拟外风挡实际工况，对外风挡安装骨架施加向下的作用力，作用力大小由橡胶胶囊重量及其受力状况决定，考虑一定安全系数，估取作用力大小为500N。

通过仿真可得出外风挡安装骨架最大应力为3.3Mpa，远小于其屈服极限，最大位移为0.0053mm，不影响其使用要求。由此可知，两侧外风挡安装骨架完全满足使用要求。

4.动车组外风挡位移试验

本节通过位移试验对初步设计的外风挡尺寸进行验证。外风挡的尺寸应满足如下要求，即动车组在其运行线路上极限位置时胶囊不产生缝隙或损坏以及其他金属件不产生干涉或噪音。

动车组运行时的极限位置定义如图2-3所示：

图2　极限工况1

图3　极限工况2

针对本文设计及开发的外风挡样机产品所得到的试验结果如图4-5所示：

图4　极限工况1—试验结果

图5　极限工况2—试验结果

试验结果表明动车组在其运行极限位置时胶囊不会产生缝隙或损坏，同时其他金属件也没有产生干涉或噪音，即所设计的外风挡尺寸满足动车组项目要求。

5.总结

本文根据动车组项目需求设计开发了一种U型外风挡，其主要由橡胶胶囊、安装骨架、内外压条以及紧固件等组成。通过应力分析与极限位移试验验证了外风挡尺寸以及选材的合理性。本文所设计开发的外风挡满足车辆在运行过程通过曲线时无干涉，无自毁的能力，不影响车辆连挂、车辆车端的相对运动及贯通道的自由运动，另外列车交汇和通过隧道时不会发生损害或永久变形。目前，本文所设计开发的外风挡已通过动车组项目验收，并已安装于长株潭城际动车组T01列车上。

［1］马淑红，马韫娟，李建群，等.京津城际CRH3动车组大风天气条件下安全行车技术标准参数研究［J］.铁道技术监督，2009，37（2）：7-9.

［2］葛盛昌，蒋富强.兰新铁路强风地区风沙成因及挡风墙防风效果分析［J］.铁道工程学报，2009（05）：1-4.

［3］欧阳黎健，刘丰芹.风挡在机车车辆上的应用［J］.电力机车与城轨车辆，2008，31（2）：46-48.

［4］刘宏友.高速列车中的关键动力学问题研究［J］.中国铁道科学，2004（1）：136-138.

［5］张宝祥，袁彩霞，高军.高速动车组外风挡橡胶的涂装工艺［J］.现代涂料与涂装，2011，14（9）：54-56.

［6］刘涛. 精通ANSYS［M］.清华大学出版社，2002.