CIT400動(dòng)車組單輔變流器箱體研究

金 煒，黃磊杰，汪 偉

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京100044；3 西安鐵路局 機(jī)務(wù)處，陜西西安710054）

單輔變流器是CIT400動(dòng)車組上重要的大型電氣設(shè)備，其內(nèi)部安裝了大量的電器元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且自重較大，隨著動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)的速度不斷提高，作為電器部件的載體輔助變流器的箱體顯得非常重要，一方面要保證變流器能夠安全的安裝在動(dòng)車組上，另一方面要保證箱體內(nèi)的電器部件能夠正常安裝，并提供正常的工作環(huán)境，因此對(duì)箱體結(jié)構(gòu)的分析是單輔變流器設(shè)計(jì)的重要組成部分，本文應(yīng)用有限元方法對(duì)單輔變流器箱體進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，通過(guò)靜強(qiáng)度分析得到箱體在承載時(shí)的應(yīng)力分布，完成了對(duì)箱體設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度校核，通過(guò)模態(tài)分析得到箱體的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)箱體的固有振動(dòng)特性進(jìn)行全面的了解，為后續(xù)的實(shí)際運(yùn)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 單輔變流器箱體有限元模型的建立

1.1 單輔變流器箱體概況

按照設(shè)計(jì)需求單輔變流器安裝在CIT400動(dòng)車組車體內(nèi)部，變流器通過(guò)箱體底部四角的安裝結(jié)構(gòu)與動(dòng)車組車體相連，變流器箱體與動(dòng)車組車體間設(shè)有橡膠減振器，單輔變流器在工作環(huán)境中主要承受振動(dòng)載荷，隨動(dòng)車組車體振動(dòng)而振動(dòng)。單輔變流器質(zhì)量為1 400 kg，箱體主要由梁結(jié)構(gòu)和鈑金結(jié)構(gòu)組成，梁結(jié)構(gòu)為箱體的主要承力結(jié)構(gòu)，由截面為80 mm×80 mm×4 mm、80 mm×40 mm×3 mm的矩形管型材和5 mm板材組成，鈑金結(jié)構(gòu)為箱體的輔助承力、連接和電器件安裝結(jié)構(gòu)，主要為2～3 mm的薄板材料組成，單輔變流器箱體材料特性見(jiàn)表1。

表1 單輔變流器箱體材料特性

1.2 有限元分析載荷工況

單輔變流器箱體屬于動(dòng)車組車上安裝的大型電器設(shè)備，目前鐵路上所有需要裝車使用的設(shè)備均需要進(jìn)行符合標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB／T 3058－2002《鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》，其振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)等同于GB／T 21563－2008《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》和IEC 61373－1999的相關(guān)技術(shù)要求。按照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)備需要進(jìn)行3個(gè)方向的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，設(shè)備在沖擊載荷作用下，機(jī)械結(jié)構(gòu)要求保持完好不得發(fā)生破壞，因此將沖擊載荷作為變流器箱體強(qiáng)度仿真的計(jì)算載荷，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單輔變流器屬于車體1類A級(jí)安裝，具體載荷見(jiàn)表2，施加載荷方向及變流器箱體約束見(jiàn)圖1。

表2 單輔變流器箱體強(qiáng)度仿真計(jì)算載荷［1－2］ m·s－2

圖1 單輔變流器箱體有限元計(jì)算約束及施加載荷方向

1.3 有限元分析模型建立

單輔變流器箱體的三維實(shí)體建模采用Solid works軟件，有限元計(jì)算建模采用Solid works／COSMOS軟件，Solid works／COSMOS軟件集成了靜態(tài)應(yīng)力分析、頻率分析、熱分析和疲勞分析的計(jì)算模塊，這樣可以做到箱體的有限元分析與三維實(shí)體建模無(wú)縫連接，減少了三維建模與有限元分析之間連接問(wèn)題，使工程人員能夠快速的解決實(shí)際工程問(wèn)題。單輔變流器箱體主要由鈑金件和矩形管型材組成，均屬于由單一材料構(gòu)成的薄壁零件，因此在建立有限元模型的時(shí)候主要以板殼單元為主，箱體的吊座結(jié)構(gòu)及少數(shù)零件采用實(shí)體單元，單輔變流器箱體有限元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2，有限元計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量213 830個(gè)，單元數(shù)量104 365個(gè)。

圖2 CIT400動(dòng)車組單輔變流器箱體強(qiáng)度計(jì)算有限元網(wǎng)格圖

2 單輔變流器箱體靜強(qiáng)度分析

靜強(qiáng)度分析主要得到箱體在承受靜態(tài)載荷作用時(shí)的應(yīng)力分布，在計(jì)算分析中基于箱體的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部元器件的布置重點(diǎn)關(guān)注兩種位置，一類是結(jié)構(gòu)上非常重要的位置，比如機(jī)箱吊座區(qū)域、功率模塊安裝區(qū)域、變壓器安裝區(qū)域等，機(jī)箱吊座承擔(dān)著整個(gè)單輔變流器的總重，是變流器能夠安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，變壓器和功率模塊是單輔變流器箱體內(nèi)最重要的電器部件，其安裝位置分別在箱體的中部和端部；另一類是計(jì)算分析中的應(yīng)力集中區(qū)域，比如鈑金件組焊位置，由于鈑金件比較薄，結(jié)合位置結(jié)構(gòu)復(fù)雜且相對(duì)薄弱，箱體重要結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，縱向、橫向、垂向的仿真計(jì)算云圖見(jiàn)圖3～圖4。

表3 單輔變流器箱體靜強(qiáng)度分析結(jié)果 MPa

圖3 CIT400動(dòng)車組單輔變流器箱體靜強(qiáng)度垂向仿真分析結(jié)果

圖4 CIT400動(dòng)車組單輔變流器箱體靜強(qiáng)度縱向、橫向仿真分析結(jié)果

單輔變流器垂向工況計(jì)算結(jié)果應(yīng)力最大值為97.7 MPa，發(fā)生在變壓器安裝結(jié)構(gòu)區(qū)域，該位置區(qū)域材料為Q345E；縱向工況計(jì)算結(jié)果應(yīng)力最大值為167.3 MPa，發(fā)生在功率模塊安裝橫梁與風(fēng)道安裝隔板的連接區(qū)域，該位置區(qū)域材料為Q345E和09Cu PCr Ni－A；橫向工況計(jì)算結(jié)果應(yīng)力最大值為150.8 MPa，發(fā)生在功率模塊安裝橫梁與箱體主結(jié)構(gòu)連接位置的三角支撐板區(qū)域，該位置區(qū)域材料為Q345E和09Cu PCr Ni－A。由各工況計(jì)算結(jié)果箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)力均未超過(guò)相應(yīng)材料的屈服極限，符合TB／T 1335－1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中對(duì)靜強(qiáng)度的要求，由表3數(shù)據(jù)箱體吊座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在各種工況下的應(yīng)力均較小，遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，表明箱體吊座結(jié)構(gòu)具有足夠的安全裕量。

3 單輔變流器箱體模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的重要方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用，其目的是識(shí)別系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)一個(gè)特定的自振頻率、阻尼比和模態(tài)振型，動(dòng)車組在線路上的運(yùn)用工況復(fù)雜，周圍的激擾多種多樣，不同的激擾對(duì)變流器的影響是不同的，鑒于變流器的安裝方式和重要性，對(duì)變流器箱體固有頻率進(jìn)行深入研究是非常必要的，通過(guò)模態(tài)分析確定變流器箱體的固有振動(dòng)頻率，在實(shí)際應(yīng)用中避免共振對(duì)變流器箱體產(chǎn)生的不利影響。

對(duì)于鐵路車輛及其設(shè)備附件在模態(tài)方面有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，單輔變流器安裝在動(dòng)車組車體內(nèi)部，按照《200 km／h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》，整備狀態(tài)下的車體最低彎曲自振頻率不低于10 Hz［3］，整備狀態(tài)下車體的質(zhì)量要比車體鋼結(jié)構(gòu)增加很多，所以車體鋼結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲固有頻率比整備狀態(tài)下的車體一階垂向彎曲頻率要高30%（即為14 Hz左右）［4］；在EN 12663《鐵路應(yīng)用－鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》中，要求在裝配和所有運(yùn)用條件下，設(shè)備附件振動(dòng)基本模態(tài)應(yīng)與車體結(jié)構(gòu)和懸掛振動(dòng)模態(tài)充分隔離或衰減，以避免出現(xiàn)不良的響應(yīng)［5］，即車體上安裝設(shè)備的振動(dòng)模態(tài)應(yīng)當(dāng)避開(kāi)車體的自振模態(tài)。同時(shí)在TB／T 3058的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)中對(duì)參試設(shè)備的試驗(yàn)頻率范圍有具體要求，CIT400單輔變流器質(zhì)量1 400 kg，需要進(jìn)行考核的頻率范圍在2～60 Hz［1］，因此在箱體模態(tài)分析中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注60 Hz內(nèi)的箱體模態(tài)，模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表4，箱體模態(tài)振型見(jiàn)圖5～圖8。

表4 單輔變流器箱體模態(tài)分析結(jié)果

圖5 箱體整體模態(tài)：1階扭曲模態(tài)

圖6 箱體整體模態(tài)：1階彎曲模態(tài)

圖7 箱體局部模態(tài)：功率模塊艙頂板、底板1階模態(tài)

圖8 箱體局部模態(tài)：A 1、A3板電器艙隔板1階模態(tài)

從模態(tài)分析結(jié)果來(lái)看，可以將單輔變流器箱體的模態(tài)振型劃分為整體模態(tài)和局部模態(tài)，單輔變流器箱體是由梁結(jié)構(gòu)和鈑金結(jié)構(gòu)組成，梁結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的振型做為箱體的整體模態(tài)需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，箱體的1階整體模態(tài)為扭曲模態(tài)，模態(tài)頻率為39.0 Hz，該頻率遠(yuǎn)離相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車體要求的自振頻率，由于箱體在安裝到車體上時(shí)四角需要固定，因此實(shí)際應(yīng)用中扭曲模態(tài)的效果將被有效的抑制，其他箱體的整體模態(tài)均較高超過(guò)了60 Hz，說(shuō)明單輔變流器箱體的整體剛度是有足夠裕量的；鈑金結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的振型作為箱體的局部模態(tài)，箱體結(jié)構(gòu)中具有多個(gè)鈑金結(jié)構(gòu)，作為薄板容易發(fā)生共振，箱體1階局部模態(tài)頻率為23.5 Hz，是箱體功率模塊艙頂板、底板的振動(dòng)模態(tài)，此處位置的薄板只在板四邊與箱體進(jìn)行固接，薄板面積較大，在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中該處結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了多階的振動(dòng)模態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中如有需要可以通過(guò)增加輔助結(jié)構(gòu)來(lái)提高薄板的共振頻率，即提高薄板結(jié)構(gòu)的抗振性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)CIT400動(dòng)車組單輔變流器箱體進(jìn)行有限元分析，通過(guò)靜強(qiáng)度分析完成了對(duì)箱體的強(qiáng)度校核，得到了箱體的相關(guān)應(yīng)力分布，分析結(jié)果箱體的強(qiáng)度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，滿足實(shí)際運(yùn)用的需求；通過(guò)模態(tài)分析得到了箱體的固有振動(dòng)特性，箱體的整體模態(tài)頻率和局部模態(tài)頻率遠(yuǎn)離標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車體的自振頻率要求，箱體具有足夠的剛度且做到了與車體自振頻率的隔離。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB／T 3058鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

［2］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB／T 21563軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部科技教育司.200 km／h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定［S］.北京，2001.

［4］吳 燕，楊國(guó)楨.準(zhǔn)高速客車車體動(dòng)態(tài)特性的設(shè)計(jì)要求［J］.鐵道車輛，1992，（11）：1－5.

［5］European committee for standardization.EN 12663 Rail way application－Structural requirements of rail way vehicle bodies［S］.2000.