动车开闭机构系统的设计

摘 要：文章对目前我国高铁及动车前端模块采用的一种开闭机构的结构形式、控制方式及工作原理等做了详细介绍，从安装调试、可靠性、可维护性、可操作性等方面论述了该种开闭机构的特点，同时对于开闭机构的发展趋势做了简单的分析。

关键词：动车；高铁；开闭机构；发展趋势

1 概述

随着我国高铁及动车技术的不断发展，其组成部件的高端化、自动化要求也在不断提高。文章介绍的开闭机构为动车和高铁前端部件，为自动化装置，其作为列车的最前端模块在列车单列运行时处于关闭状态，和车体头罩形成完整的列车空气动力学外形，减小风阻风噪，并保护前端车钩等机构；在两列车连挂运行或检修牵引时，开闭机构将活动舱门打开，露出车钩进行连挂。开闭机构安装在列车组最前端，主要由机架组成、旋转舱门（左右共两扇）、电路系统组成及气路系统组成等四大部分构成。列车司机可直接在司机室内控制开闭机构实现打开及关闭动作，在无动力的情况下可通过专用工具在列车前端手动打开及关闭开闭机构，同时在其打开及关闭时都具有锁闭功能。

2 机构特点及主要技术参数

2.1 机构特点

（1）机构的组成。该种开闭机构主要由机架组成、旋转舱门（左右共两扇）、电路系统组成及气路系统组成等四大部分构成。通过电路系统控制电磁阀开闭实现对气缸供气，通过设计的机械结构将气缸的伸长缩短动作转化为活动舱门的旋转来实现开闭机构的打开及关闭动作。左右旋转舱门直接安装到机架组成的转臂上，与机架组成、电路系统组成、气路系统组成一同安装在车体的预留接口上，结构简图如图1。

（2）安装与调节。由于活动舱门须与车体头罩进行装配，为美观性达到最佳，需保证活动舱门和车体头罩之间的间隙均匀，故机构中分别设计了前后、左右、上下以及平面旋转机构，可实现舱门与车体头罩配合时各个方向的微调。开闭机构单个舱门上配有长度可微调的转臂，通过调节各个转臂的长短以调节单个舱门的旋转角度，安装调节十分便捷。

2.2 主要技术参数

该种动车开闭机构主要技术参数：两旋转舱门开口距离1326±10mm；满足车钩摆角上下±6°，左右±12°；额定电压110V DC，额定功率44W；使用环境-20℃- +60℃；使用寿命大于30年。

3 具体功能原理的剖析

3.1 控制原理简介

该种开闭机构采用气动控制原理，通过电信号的反馈实现逻辑动作。电路系统中存在的PLC等控制系统对电磁阀进行控制以实现双作用摆动气缸的往复运动，机械系统中通过机构的设计将气缸推杆的直线运动转化为转臂的旋转运动，而转臂又与旋转舱门相连接，进而带动舱门的运动。

3.2 机构的锁闭

该种开闭机构在打开及关闭到位后均具有锁闭功能，锁闭功能采用机械自锁原理实现，不依赖任何动力，该种功能较之前的开闭机构采用的靠工作状态的气缸来锁闭的方式在性能上有了较大的提高，增加了产品的稳定性和可靠性。

3.3 信号的反馈

在开闭机构的推动气缸上安装有检测装置，当旋转舱门打开或关闭到指定位置后将检测到的信号反馈给电路系统，系统接到信号后将整个系统与外界动力进行隔离，即处于“失电断气”状态。该种设计避免了系统长时间带电以及气缸长时间处于充气状态，在保证产品安全性的同时能有效延长电、气元件的使用寿命，降低故障率。

4 操作的便捷性

该种开闭机构操作便捷只需单人即可。操作方式为两种：自动方式、手动方式。自动操作方式只需系统提供正常动力，司机可在司机室内通过操作按钮控制其动作，其打开及关闭均为同一个按钮，司机室面板上有相关的到位指示灯以供司机判断开闭机构所处的状态。当系统处于“失电失气”的情况下，操作人员可在司机室外车体最前端通过专用工具实现打开或关闭动作。不论自动控制方式还是手动控制方式均可实现单人在1分钟内完成开闭机构单次动作。

5 系统的可靠性及可维护性设计

5.1 系统的可靠性设计

开闭机构主要实现功能为打开-打开锁闭，关闭-关闭锁闭。为提高锁闭的可靠性取替了以往依赖气缸推杆直接锁闭的设计方式改为用纯机械原理进行锁闭，避免了气缸在失去动力后对锁闭带来的不利影响；系统内仅采用了两个气缸便实现了动作功能要求，因此所使用元件数目少，要求低，有效降低系统故障风险；电、气系统设计采用集成型设计，关键元器件采用国外进口品牌，且电气元件整体集成安装在密封等级至少可达到IP65的电气控制柜内，有效防水、防尘，保护电气系统的稳定性。

5.2 材料的选择

开闭机构零部件材料主要为玻璃钢（旋转舱门及环形头罩的主要材料）、铝合金、不锈钢，满足防锈、防火的要求。气路管路采用金属接头和橡胶软管组成，密封性能良好且有较强的抗老化性。产品进行了一系列的试验进行验证：包括整体产品的可靠性试验、耐久性试验、电气系统单独的可靠性功能试验、玻璃钢产品的防撞试验以及淋雨试验等。

5.3 系统的可维护性设计

考虑到电气系统检修和故障处理需要，在设计初期预留了检修窗，位置见图2序3示意，在操作人员需对电气系统进行维护时，可将活动的检修窗取下，用随车常用的方孔钥匙打开电气控制柜门来对电气元件进行维护和检修，空间布局合理，操作方便。电气系统内的模块化设计结构，使得维修人员在查找、维修故障时简便省时。

6 开闭机构的发展方向

考虑到开闭机构结构功能的单一性，目前动车及高铁上使用的结构仍然过于复杂化，且左右方向打开的开闭形式对于列车左右方向的空间要求较高，为满足车钩左右方向的最大摆角要求，左右方向的打开型式会导致开闭机构出现体积大、重量高等问题，影响列车美观性和整体的重量要求。随着国内高铁及动车技术日趋成熟，其部件的高端化、自动化、智能化设计的要求也越来越凸显，纯手动的开闭机构也会难以满足使用要求。综上所述开闭机构的简单化、轻量化、美观性仍是开闭机构设计的重点优化内容，自动化和智能化设计是大势所趋，同时上下开闭形式的开闭机构优势也会越来越凸显。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社，2008（3）.

[2]邹建华.液压与气动技术基础[M].化学工业出版社，2006（1）.

[3]李光敏，孙恒，陈作模.机械原理[M].中国水利水电出版社，2012（2）.

作者简介：吕文博：株洲九方装备股份有限公司，助理工程师。