CRH1A-A型动车组侧窗设计优化.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 4 2-0 4C R H 1 A-A型动车组侧窗设计优化潘美风(青岛四方阿尔斯通铁路运输设备有限公司,山东 青岛 2 6 6 1 1 1)摘 要:文章以C RH 1 A-A型动车组侧窗为例,介绍了车窗结构以及技术要求,为便于维修更换,进行了侧窗安装结构优化,提出了双窗框固定式车窗结构。对优化的侧窗结构进行了计算仿真、试验,结果表明,优化后的车窗结构符合设计使用要求。车窗结构优化后,简化了侧窗维护更换流程,缩短了侧窗玻璃维护更换时间。关键词:动车组;侧窗;仿真;试验;维护中图分类号:U 2 7 0.3 8+6 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 0 8收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 4第一作者:潘美风(1 9 7 0),女,高级工程师。D e s i g n O p t i m i z a t i o n f o r S i d e W i n d o w s f o r C R H 1 A-A EMUP AN M e i f e n g(A l s t o m S i f a n g(Q i n g d a o)T r a n s p o r t a t i o n C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 1 1 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i s a r t i c l e,s t r u c t u r e s a n d t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s o f t h e w i n d o w s h a v e b e e n a d d r e s s e d w i t h t h e s i d e w i n d o w s f r o m C RH 1 A-A EMU a s e x a m p l e.F o r e a s e o f m a i n t e n a n c e a n d r e p l a c e m e n t,t h e i n s t a l l a t i o n s t r u c t u r e s h a v e b e e n o p t i m i z e d f o r t h e s i d e w i n d o w s.A d o u b l e-f r a m e w i n d o w w i t h f i x e d s t r u c t u r e h a s b e e n p u t f o r t h.R e s u l t s f r o m c a l c u l a t i o n s,s i m u l a t i o n a n d t e s t i n g o f t h e s t r u c t u r e s o f o p t i m i z e d s i d e w i n d o w s i n d i c a t e s u c h w i n d o w s w i t h o p t i m i z e d s t r u c t u r e s c o m p l y w i t h d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n s.S u c h o p t i m i z e d w i n d o w s t r u c-t u r e s s i m p l i f y t h e p r o c e s s o f m a i n t e n a n c e a n d r e p l a c e m e n t o f s i d e w i n d o w s,h e n c e s h o r t e n i n g t h e t i m e f o r m a-i n t e n a n c e a n d r e p l a c e m e n t o f s i d e w i n d o w s.K e y w o r d s:EMU;s i d e w i n d o w;s i m u l a t i o n;t e s t i n g;m a i n t e n a n c e C RH 1 A-A型动车组为5动3拖编组,动力分散型高速动车组,运营速度2 5 0 k m/h,第一批次列车上线运行时,由于外力造成侧窗损坏,车辆入库后,对损坏的侧窗进行维护更换需2个维护班次,建议优化车窗结构以缩短维护更换时长。1 车窗结构及要求C RH 1 A-A型动车组侧窗是适用于铝合金车体的一种轻量化车窗。图1为车窗结构。单窗框固定式车窗结构,玻璃层结构从内向外依次为夹层玻璃(3 mm物理钢化玻璃+0.7 6 mm夹胶层膜+4 mm物理钢化玻璃)、中空、5 mm物理钢化玻璃。图2为车窗安装流程示意图。窗框与玻璃之间采用结构胶粘接并固定成带框车窗单元,将带框的车窗单元通过结构胶安装到车体窗口处。此结构质量轻,安装简单,并可有效补偿相关部件的制造及安装公差,保证侧窗与车体侧墙外表面在同一平面。表1为车窗设计要求。图1 车窗结构图2 车窗安装流程示意图24 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 表1 车窗设计要求压力等级载荷/k P a载荷频率/H z循环次数侧窗状态强度1431 2 0 0 0 0 0整体不失效261.51 5 0 0整体不失效361.562 0 0内层玻璃完好,外侧玻璃(试验前已破坏)不跌落水密性满足T B/T 3 1 0 72 0 1 1 铁道客车单元式组合车窗 1和整车水密性的要求,淋雨试验后车窗各部位不应有渗漏气密性在1 m3 的密闭腔体内,压力从4 k P a 降至1 k P a,时间不少于2 0 m i n外观侧窗应与车体侧墙外表面在同一平面上,尽量减少凸起,保持车体外表面的平滑性2 拆卸更换车窗作业流程及用时图3为拆卸更换车窗流程示意图。由图3可知,车辆入库检修更换侧窗时,先将损坏的车窗玻璃敲碎,清除窗框上的残留粘接胶及密封胶,拆卸用时约1 h;再将结构胶按要求预施工到窗框上,然后将车窗玻璃从车外安装到已打好粘接结构胶的车窗窗框上,安装用时约1.5 h;待结构粘接胶深度固化(2 4 h)后,进行打密封胶工作,密封胶固化后(6 h)上线运行。可见,维护更换最耗时的环节是结构粘接胶的深度固化。图3 拆卸更换车窗流程3 车窗安装结构优化3.1 结构优化方案为解决既有C RH 1 A-A型动车组车窗维护更换时间长的问题,结合C RH 3 8 0 D型动车组车窗结构,提出双窗框固定式车窗结构的优化方案,采用整体框机械连接安装,密封胶密封。车窗检修时可快速拆卸机械连接,整体更换车窗单元,避免结构粘接胶现场施工及深度固化耗时环节。双窗框固定式车窗结构保持了既有的中空夹层车窗玻璃结构,将车窗玻璃与车窗内窗框复合粘接形成带内窗框的车窗单元,车窗单元与外窗框通过螺栓机械连接,形成侧窗双窗框固定式结构,从车体内侧,将整体侧窗通过结构粘接胶安装到车体上,待结构粘接胶深度固化后,将内外窗框连接的安装螺栓盖,施打密封胶。图4为车窗安装优化结构。图4 车窗安装优化结构3.2 计算分析3.2.1 有限元模型建立采用H y p e r M e s h 对侧窗玻璃三维模型进行有限元网格划分,侧窗玻璃中的夹层玻璃以及金属框架均采用3 D 实体单元进行划分,结构胶层也采用实体单元进行划分。模型中的螺栓连接采用B a r 单元及R B E 2 单元进行模拟。图5为车窗有限元模型。图5 车窗有限元模型侧窗玻璃主体结构所使用材料为钢化玻璃,金属框架材料为铝合金E N AW-6 0 6 3 T 5,结构胶为I S R 7 0-0 8,密封胶采用I S R 7 0-0 3。根据材料许用应力公式,34 C RH 1 A-A型动车组侧窗设计优化 潘美风导出材料许用强度值。按照技术规范要求,根据E N 1 2 6 6 3-1:2 0 1 0 铁道应用-轨道车身的结构要求2对侧窗玻璃结构进行计算评估。表2为车窗有限元分析采用的材料属性。表3为有限元分析采用的材料强度值。表4为E N 1 2 6 6 3-1:2 0 1 0中规定的评估安全系数。表2 有限元分析采用的材料属性材料弹性模量/MP a泊松比屈服强度/MP a断裂强度/MP a密度/(t/mm2)夹层玻璃7.21 040.2 21 5 02.51 0-9E N AW-6 0 6 3 T 57.01 040.31 1 01 6 02.71 0-9表3 有限元分析采用的材料强度值MP a材料屈服强度抗拉强度屈服强度许用值安全系数1.1 5抗拉强度许用值安全系数1.5材料许用强度夹层玻璃1 5 01 0 01 0 0E N AW-6 0 6 3 T 51 1 01 6 09 61 0 69 6表4 E N 1 2 6 6 3-1:2 0 1 0中规定的安全系数安全系数备注静强度工况S 1=1.1 5S 2=1.5相对于屈服强度相对于抗拉强度疲劳工况 S 3=1.0 存活率9 7.5%3.2.2 强度校核(1)结构强度校核。通过有限元分析得到各工况下产品结构的应力分布,对于侧窗玻璃结构中的塑性材料,选取第四强度理论进行评估。对于结构中的脆性材料选取第一强度理论进行评估。综合考虑加速度载荷、车体载荷以及气动载荷,对优化的侧窗结构分别进行了1 2种静态工况的强度计算,根据静强度评估准则对静强度工况计算结果进行评估,包括在各工况下的最大位移量与最大应力,计算校核结果,结构中最大位移为8.7 1 mm,结构中材料的最大材料利用率为0.1 5 2,小于1.0,能够满足E N 1 2 6 6 3-1:2 0 1 0的静态强度要求。(2)螺栓连接校核。图6为螺栓连接示意图。车窗内框与外框通过2 5颗8.8级M6的螺栓进行连接安装,对螺栓头以及螺纹部位进行润滑,施加预紧力矩7 Nm。按照V D I 2 2 3 0:2 0 0 3 高强度螺栓连接系统计算3校核在E N 1 2 6 6 3-1:2 0 1 0规定的车窗工况以及气动载荷情况下的螺栓连接强度,结果表明:螺栓屈服强度安全系数为1.1 6,螺栓抗剪安全系数为1 9.5,螺栓疲劳安全系数为3 1.9 9,连接件表面压溃安全系数为1.2 4,抗滑移安全系数为2.1 6,预紧力安全系数为1.7 7,均能够满足设计要求2。图6 螺栓连接示意图(3)胶粘层校核。弹性胶粘层在所连接的部件间传递载荷同时又要承受结构的变形,因此需要分别对其应力与变形进行分析,按照D V S 1 6 1 8:2 0 0 2 轨道车辆结构中的弹性厚膜粘接4的要求对结构中的胶粘层进行校核。根据所有工况下胶粘层安全系数的分布云图结果,静强度工况下最小应力安全系数为3.7 8,最小变形安全系数为2.8 4,疲劳强度工况下最小应力安全系数为2.5 6,最小变形安全系数为1 4.2 6,均大于标准规定的2.0,能够满足D V S 1 6 1 8:2 0 0 2 的要求。3.3 试验3.3.1 疲劳试验根据表1要求对优化结构的车窗进行试验验证,试验完成后,侧窗玻璃、窗框、胶及螺栓均未出现裂纹、开裂,整体结构完好。试验结果表明,侧窗结构在各种工况下应力都小于许用应力,安全系数大于1.5,侧窗强度满足要求;车窗最大挠度8.8 mm,满足U I C 5 6 6:1 9 9 0 客车车体及其构件的载荷5规定玻璃变形量小于1 0 mm的要求。3.3.2 水密性试验 在疲劳试验压力等级1试验中,对试验件进行人工淋雨试验,试验中没有出现任何渗水漏水现象,满足44铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 水密性要求。3.3.3 气密性试验 根据G B/T 7 1 0 62 0 0 8 建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法6及车窗技术条件,对车窗及车窗安装结构进行气密试验。4 h的试验记录数据如表5,考虑环境温度上升和下降导致的压力上升和下降的变化,车窗系统整体气密性完好,可以认为无压力泄漏,满足在1 m3的密闭腔体内,压力从4 k P a 降至1 k P a,时间不少于2 0 m i n的车窗气密性要求。表5 气密试验结果第1次时间压力/k P a第2次时间压力/k P a第3次时间压力/k P a保压+4 k P a8:0 0+4.0 0 81 4:1 0+4.0 0 28:1 0+4.0 1 09:0 0+4.0 1 51 5:1 0+4.0 0 99:1 0+4.0 1 31 0:0 0+4.0 2 21 6:1 0+3.9 9 81 0:1 0+4.0 2 01 1:0 0+4.0 3 31 7:1 0+3.9 8 81 1:1 0+4.0 2 91 2:0 0+4.0 3 51 8:1 0+3.9 7 51 2:1 0+4.0 3 6保压-4 k P a8:0 0+4.0 0 81 4:1 0+4.0 0 28:1 0+4.0 1 01 4:0 0-4.0 0 18:2 0-4.0 0 01 4:3 0-4.0 0 81 5:0 0-4.0 0 79:2 0-4.0 0 51 5:3 0-4.0 1 21 6:0 0-4.0 1 51 0:2 0-3.9 9 61 6:3 0-4.0 1 91 7:0 0-4.0 2 31 1:2 0-3.9 8 91 7:3 0-4.0 2 51 8:0 0-4.0 2 81 2:2 0-3.9 8 01 8:3 0-4.0 3 34 车窗结构优化后维修更换流程及耗时图7为车窗结构优化后维修更换流程。图7 车窗结构优化后维修更换流程车窗结构优化后的作业流程及耗时为:(1)使用专用切割工具将车体外侧粘接密封胶清除,耗时约2 5 m i n;(2)拆除安装螺栓盖及全部的M6内六角螺栓和垫圈,耗时约1 5 m i n;(3)从车体 内侧用力向 外推除内窗,耗时约8 m i n;(4)准备好要更换的带内框的车窗单元,并放入外框内,耗时约1 0 m i n;(5)安装M6内六角螺栓和垫圈,拧紧扭矩,每个螺栓孔扣上安装螺栓盖,耗时约1 8 m i n;(6)涂粘接密封胶,耗时约2 0 m i n;密封胶固化6 h,停留至早上,发车运行。5 小结计算及试验结果表明,优化后的车窗结构满足静强度、疲劳强度、水密性及气密性等要求。一旦车窗玻璃在运行中损坏,车辆入库后,通过整体框机械连接安装,将节省拆卸侧窗清理粘接胶的工作量及粘接胶的固化时间,实现快速维护更换车窗,可在一个维修班次完成侧窗的维护更换,表明双窗框固定式车窗的优化结构是有效的。参考文献:1 铁道客车单元式组合车窗:T B/T 3 1 0 72 0 1 1S.2 铁道应用-轨道车身的结构要求:E N 1 2 6 6 3-1:2 0 1 0S.3 高强度螺栓连接系统计算:V D I 2 2 3 0:2 0 0 3S.4 轨道车辆结构中的弹性厚膜粘接:D V S 1 6 1 8:2 0 0 2S.5 国际铁路联盟.客车车体及其构件的载荷:U I C 5 6 6:1 9 9 0S.6 建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法:G B/T 7 1 0 62 0 0 8S.(责任编辑:任 海)54 C RH 1 A-A型动车组侧窗设计优化 潘美风