HXD2型电力机车新型重联渡板设计

李德伟， 张江田， 李幸人， 李立山

(中车大同电力机车有限公司， 山西大同 037038)

随着轨道交通事业的快速发展，用户对电力机车的功能性和安全性的要求日益提高。HXD2型八轴电力机车的重联渡板安装在电力机车的后端部，是两节机车之间重联的重要部件，司乘人员通过重联渡板可以在机车正常运行的过程中，在两节机车之间安全的通行。由于八轴电力机车有解编的要求，所以重联渡板的设计既要考虑在两节机车中间形成一个安全通道，还要能够快速分离从而实现电力机车的快速的解编，另外重联渡板的状态要随着两节机车的相对运动而不断改变，所以其结构设计一直是电力机车设计中的一个难点。

到目前为止，在国内线路上运行的八轴电力机车的重联渡板使用情况一直不尽如人意，许多用户都提出八轴电力机车上使用的重联渡板外观不够美观、故障率高且存在一定的安全隐患等问题。湖东机务段的苗树东提到2014年1月至4月八轴电力机车重联渡板发生碰撞变形53次[1]，湖东机务段的张志峰也提到八轴电力机车在2年检时发现渡板发生多次碰撞变形[2]。很多专家也意识到重联渡板存在这些问题，也开展了很多研究工作，中车株洲电力机车有限公司(简称：中车株机公司)的王璐科对重联渡板发生变形的现象进行了研究，通过对重联渡板的结构优化、改造，降低渡板的碰撞概率[3]，中车株机公司的何俊通过对重联渡板的运动仿真提出了优化渡板外形，被动的避免渡板碰撞的方案和设计新型结构渡板主动避免渡板碰撞两种方案[4]，而中车株机公司的李明明[5]和中车大连机车车辆有限公司(简称：中车大连公司)的杜慧勇[6]都采用设计新型结构的渡板来避免渡板碰撞问题，同时提升渡板的美观性和安全性。以上专家在解决八轴机车重联渡板的问题上都取得了一定了进展，但到目前为止还没有一个完美的方案彻底解决重联渡板的问题。文中在其他专家对渡板研究的基础上，设计了一种全新的重联渡板结构，在提升的重联渡板的美观性和安全性的同时，解决八轴电力重联渡板碰撞等故障问题。

1　新型重联渡板结构设计

1.1　新型渡板结构

通过对重联渡板的特点和功能分析研究，设计出一种新型的重联渡板，新型重联渡板包括固定支撑座、活动渡板装置、固定渡板和自动复位弹簧运动机构和垂向弹簧稳定装置5个部分组成，其主要核心部分是采用可伸缩、倾斜并靠支撑弹簧自动复位的活动机构和垂向弹簧稳定装置，当机车在启动、加速、减速、转弯、上下坡时，随着两节机车之间的纵向、横向和垂向距离增大或减小，此时连接在机车后端的重联渡板会通过弹簧机构以及垂向弹簧稳定机构跟随机车运动并自动复位，以保证机车正常运行。新型渡板的结构如图1所示。

1-固定支撑座；2-固定渡板；3-垂向弹簧稳定装置；4-活动渡板装置；5-自动复位弹簧运动机构。图1　新型重联渡板结构

新型渡板的参数设计时根据HXD2型电力机车的技术参数要求设计的，与目前HXD2型电力机车上使用的重联渡板接口一致，可以相互替换，并且新型渡板的参数设定可以满足机车在运行过程各种极限条件工况下的渡板正常使用。

1.2　新型重联渡板的功能参数(见表1)

表1　新型渡板功能参数

1.3　新型重联渡板的功能描述

固定渡板是通过螺栓连接到渡板安装座上，渡板安装座通过螺栓连接到机车钢结构上，固定渡板采用不锈钢材料，与车体连接的周边镶嵌密封条，用以保证密封性。活动渡板采用不锈钢材料，主要结构特点是通过弹簧结构与固定渡板连接，两节机车的活动渡板通过弹簧机构挤压，形成一个完整的过道。由于机车运行时，两节连挂的机车总是在不停的压缩或者拉伸，通过弹簧机构，活动渡板实现拉伸、压缩、偏移，保证了机车在运行过程中渡板始终保持一个完整通道供司乘人员通行。

自动复位弹簧运动机构的导向杆安装在下固定渡板的导向管中，这样限制了弹簧机构带动活动渡板只能纵向移动，而弹簧机构的前端通过一个滑动杆安装在活动渡板上的滑动槽中，活动渡板在受力时就会沿着滑动槽横向滑动，当机车在转弯时，两个弹簧机构的弹簧受到的力不同，从而两个弹簧的压缩量就不同，活动渡板就会一边沿着弹簧的压缩方向纵向移动，一边顺着滑动槽的方向横向移动，从而实现了活动渡板横向和纵向的运动组合。

两节机车上的活动渡板在弹簧机构弹簧的压力组成一条完整的渡板，两个活动渡板并非完全相同，在其中一个活动渡板上装有可活动的圆钢球，圆钢球突出活动渡板接触面2 mm，两个活动渡板在弹簧的压力下，相互接触，由于有圆钢球的存在，使两个活动渡板由面-面接触变成了点-面的接触，当机车转弯时，两个活动渡板相互滑动，由滑动摩擦变为了滚动摩擦，从而大大降低了摩擦噪声。 垂向弹簧稳定机构的圆柱与活动渡板连接在一起，穿过下固定渡板，通过弹簧的弹力将活动渡板和下固定渡板压在一起，当机车运行时，活动渡板和固定渡板之间有相对运动时，通过垂向弹簧稳定机构可以保证活动渡板和固定渡板始终平行。功能描述见图2。

2　新型重联渡板的仿真及试验验证

2.1　新型重联渡板有限元分析

为了验证新型重联的安全性，对新型重联渡板应用有限元分析软件进行了强度校核和变形分析仿真计算。在活动渡板面上任意位置施加200 kg质量的垂向载荷，计算结果表明渡板装置最大等效应力为154 MPa，最大变形量为2 mm。而渡板的材料为Q235A，其许用应力值为235 MPa，故安全系数在1.5以上，满足强度要求，具体结果见图3。

图2　新型渡板功能图

图3　新型渡板强度校核及变形分析

2.2　新型重联渡板运动模拟分析

机车运行过程中，随着线路的改变，重联渡板是随着机车的运行而活动，为了保证渡板可以安全可靠的使用，应用CATIA的DMU运动模拟仿真模块，将新型渡板的三维模型转化为数字样机，依据机械运动关系，建立各个部件之间的运动机构，实现运动模拟及分析。根据HXD2机车的招标要求，机车能以5 km/h的速度安全通过R125曲线，并能在R250的曲线上进行正常的摘挂作业，并考虑HXD2机车缓冲器压缩行程为83 mm，设定了机车在6种运动情况下的渡板运动状态，见表2。

表2　机车6种运动极限状态

通过CATIA软件的DMU模块模拟其运动情况，对新型渡板进行运动仿真分析，结果见图4。图中依次展现了机车在6种运动状态下的新型渡板的极限状态，通过DMU模拟，可以发现在各种极限状态下，渡板之间、渡板与机车之间无碰撞发生，且其运动机构工作状态良好。结果表明新型渡板可以安全可靠的使用。

图4　新型渡板运动仿真分析结果

2.3　新型重联渡板装车运行试验

为了进一步的验证新型渡板的性能，对新型渡板在HXD2型机车上进行了装车运行试验，分别对新型渡板进行了静态和动态的试验。新型渡板在HXD2 1275号车上进行试验，渡板安装座与车体接口配合良好，安装完毕后进行静态试验，检查渡板与车体之间不存在干涉，渡板承载能力良好，与原渡板相比较，减少了渡板与车体之间的间隙，渡板的外观状态有提升，静态试验结果总体效果良好。同时进行了新型渡板动态试验，观察了机车从连挂开始到运行速度达到正常速度，以及通过道岔、过小半径曲线等各种工况，并记录了渡板的运动状态，试验结果表明在机车连挂、解钩、加速、减速、过曲

线等工况下，渡板均能随着机车的运动而拉伸、压缩、旋转以及自动复位，渡板稳定的形成一个安全稳定的通道，动态试验效果良好。

图5　新型渡板装车试验照片

3　结束语

对HXD2电力机车的重联渡板进行了全新的设计，新型渡板的功能参数满足电力机车使用的条件，其强度校核及运动仿真都能满足使用要求，且装车运行试验结果良好，与国内铁路上运行的现车使用的渡板相比较，安全性、美观性都有大幅度的提升，并且彻底解决现车上使用的重联渡板发生碰撞变形的问题，达到在HXD2型电力机车上批量的应用的条件。