动力集中动车组用裙板结构方案对比分析

牛永刚 王小霞 廖平

摘要：在新型动力集中动车组鼓型车的联合设计中，提出了帽型和角型两种骨架断面型式的裙板方案。为比较两种方案的优缺点，对两种断面型式的裙板从整体刚度和强度等方面，结合有限元仿真，进行了较为全面地对比。综合比较后，发现帽型裙板整体表现虽好于角型裙板，但提升非常有限。

Abstract： Two kinds of skirt structure are put forward during the co-design of the new type of EMU. In order to compare the two schemes， the overall stiffness and strength of the two types of skirt are compared comprehensively with the finite element simulation. After comprehensive comparison， it is found that the overall performance of cap section skirt is better than angular section skirt， but the improvement is very limited.

关键词：骨架断面;裙板;刚度;强度;有限元仿真

Key words： section;skirt;stiffness;strength;finite element simulation

中图分类号：U270.3                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）24-0206-04

0  引言

2019年，為推进铁路技术装备升级和铁路产品的供给质量，由国家铁路总公司和中国中车牵头，进行了新型时速160公里动力集中动车组鼓型车的联合研制。为提高车辆外观美观度、增加设备防护和优化车辆外部流场，在列车下部设置了裙板。设计过程中，基于设计单位的习惯和经验，分别提出了裙板帽型骨架和角型骨架两种方案，因此有必要对两种方案进行对比分析，以提供设计依据。

1  裙板结构方案介绍

列车裙板按车下设备的布置，分为固定式裙板和活动式裙板[1]。固定式裙板长度1760mm，活动式裙板长度2290mm。裙板由蒙皮、骨架以及与车体的安装接口组成。固定式裙板通过安装座与安装梁同车体连接，如图1所示。活动式裙板通过铰链与车体连接，同时通过气弹簧与固定式裙板连接，如图2所示。裙板骨架分为帽型骨架和角型骨架，具体断面尺寸如图3所示。

两种断面型式裙板中，角型骨架、安装座与安装梁材质为Q235，铰链材质为不锈钢，帽型骨架材质为钢板2.5-Q350EWL1，裙板蒙皮材质为钢板2-Q350EWL1，气弹簧支撑座材质为钢板5-Q350EWR1。

同种型式、不同骨架断面的裙板，与车体连接用安装点的分布和安装方式相同。帽型骨架通过断面两侧折弯边与蒙皮塞焊连接，角型骨架通过一边与蒙皮塞焊连接。帽型骨架中线与角型骨架焊接边中线分布一致，骨架与蒙皮的塞焊孔规格、间隙一致。

2  裙板结构方案对比

本文分别对两种断面的固定式裙板和活动式裙板，从质量、模态以及强度三个方面进行比较，了解两种断面型式裙板的整体刚度、强度的差异，从而可以较为全面、综合地进行对比。

2.1 裙板质量

裙板质量如表1所示，可知同种型式不同断面的裙板质量偏差较小，帽型裙板的质量较角型裙板质量略低。

2.2 裙板模态

通过裙板的模态可以了解其整体刚度表现，从而分析、比较两种断面对裙板整体刚度的影响。本文采用ansys有限元软件模拟裙板的约束模态[2]。按实际安装方式，对固定式裙板安装座、安装梁以及端部裙板连接处施加约束，对活动式裙板铰链、气弹簧支撑座以及端部裙板连接处施加约束。裙板前三阶模态如表2所示，第一阶振型如图4～图7所示。

由仿真结果分析可知，裙板的一阶振型一阶波浪变形，二阶振型为一阶扭转变形，三阶振型为二阶扭转变形。各阶振型主要变形区域为裙板上下边缘，中部骨架相对集中区域变形较小，说明裙板上下边缘区域相对中部区域刚度较低。

综合对比发现，帽型裙板与角型裙板各阶振型一致，各阶频率也较为接近，不同断面的裙板其整体刚度相差不大，帽型裙板相对角型裙板整体刚度稍好一些。

2.3 裙板强度

裙板作为车体的附件，在伴随车辆运行过程中，由于线路、车辆等原因，会受到自身惯性力的作用。按照《TB/T 1335-1996铁道车辆强度设计及鉴定规范》的要求，需要校核裙板在惯性力作用下的结构强度。因本文主要研究对象为两种骨架裙板的结构，因此对各安装点处的紧固件不予研究。

按规范要求，对裙板分别施加沿车体纵向±3g、横向±1g、垂向±1.5g的加速度，并将各向加速度分别合成[3]。图8～图9为两种断面裙板，在最恶组合工况下的应力状态。

固定式裙板最大应力均出现在安装座的下部筋板上。帽型断面裙板最大应力42.712MPa，角型断面裙板最大应力52.707MPa，小于安装座材质Q235的屈服强度235MPa。

活动式裙板最大应力出现在空气弹簧安装座根部折弯处，或空气弹簧安装座上与骨架的连接处。帽型断面裙板最大应力22.411MPa，角型断面裙板最大应力29.543MPa，小于空气弹簧安装座材质Q350EWR1的屈服强度350MPa。

由此可知，两种断面型式的裙板都能满足规范的要求，帽型裙板比角型裙板在惯性力作用下应力峰值更小。

3  总结

针对同种型式、不同骨架断面的裙板，本文分别从质量、模态和强度等方面进行了比较。发现同种型式、不同骨架断面的裙板在质量和模态方面差距不大，结构强度也均能满足标准要求，帽型断面裙板较角型断面裙板的整体表现略好一些。由此可见，两种断面型式的裙板方案均能满足设计要求，帽型断面裙板较角型断面裙板在整体性能的提升上并不明显。

参考文献：

[1]王小霞，牛永刚，廖平.新型铁路客车裙板结构介绍[J].内燃机与配件，2020（15）：90-91.

[2]周炬，苏金英.ANSYS Workbench有限元分析实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2019.

[3]TB/T 1335-1996，铁道车辆强度设计及鉴定规范[S].