CRH3型動車組變流器冷卻單元風(fēng)箱設(shè)計(jì)改進(jìn)

李福祿 王立夫

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司制造技術(shù)中心 河北 唐山 063035)

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CRH3型動車組變流器冷卻單元風(fēng)箱設(shè)計(jì)改進(jìn)

李福祿 王立夫

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司制造技術(shù)中心 河北 唐山 063035)

介紹了一種利用計(jì)算機(jī)模擬仿真結(jié)合地面工況模擬手段對CRH3型高速動車組變流器冷卻單元風(fēng)箱進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)的方法。

計(jì)算機(jī)模擬；動車組；冷卻單元風(fēng)箱

1 結(jié)構(gòu)簡介

CRH3型動車組是在德國西門子公司研發(fā)的ICE系列時速300 km高速動車組平臺上發(fā)展起來的，采用電力牽引交流傳動方式，4動4拖8輛編組，由2個牽引單元組成，每個牽引單元由2動2拖構(gòu)成。

動車組具有良好的氣動外形，兩端為司機(jī)室，列車正常運(yùn)行時由前端司機(jī)室操縱。其后續(xù)車型CRH380BL型動車組則是16輛長編組，其動力分布形式?jīng)]有變化。以16節(jié)車廂的長編組動車組為例，牽引變流器及冷卻系統(tǒng)共8個，分別懸掛在動力車廂EC01、VC03、IC06、IC08、BC09、IC11、IC14、EC16的車底(見圖1)。車下變流器冷卻單元是為車下變流器提供冷卻功能的部件，通常包括散熱器、帶電機(jī)和風(fēng)扇的風(fēng)箱、安裝框架、電機(jī)連接器或接線盒等部件(見圖2)。牽引變流器的冷卻單元通常還包含水系統(tǒng)，如水泵、膨脹油箱、溫度傳感器、壓力傳感器、蝶閥、水管路等。變流器與冷卻單元用蝶閥和管路連接，通過冷卻風(fēng)扇提供的空氣流帶走變流器產(chǎn)生的熱量，風(fēng)箱是承載電機(jī)和風(fēng)扇并提供導(dǎo)流作用的部件，其原結(jié)構(gòu)為鋁合金薄板焊接箱體結(jié)構(gòu)[1]。在高級修過程中該結(jié)構(gòu)有局部開裂的情況發(fā)生(見圖3)。下面提出一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)并對變流器冷卻單元風(fēng)箱進(jìn)行基于ANSYS的強(qiáng)度仿真分析和地面振動測試。

圖1 牽引變流器冷卻系統(tǒng)在各車上的分布

圖2 變流器冷卻單元結(jié)構(gòu)

圖3 風(fēng)機(jī)箱體裂紋部位

2 原因分析

為了找到風(fēng)箱開裂的原因，對其進(jìn)行了地面試驗(yàn)臺振動試驗(yàn)，分別取變流器冷卻單元風(fēng)箱下方地板連接處內(nèi)外兩側(cè)、風(fēng)箱電機(jī)安裝板、法蘭板、風(fēng)箱箱體、冷卻單元支架、風(fēng)箱箱體上表面以及電機(jī)上方等位置，測點(diǎn)布置如圖4所示。風(fēng)機(jī)分別在低速和高速下運(yùn)行，各個測點(diǎn)加速度如表1所示。

圖4 測點(diǎn)布置示意圖

表1 不同工況各測點(diǎn)加速度估計(jì)值 /(m·s-2)

由測試結(jié)果可見，高速工作時底板連接處、電機(jī)安裝板橫向、法蘭板橫向和垂向、風(fēng)箱垂向、風(fēng)箱頂垂向的加速度值較大，說明這些測點(diǎn)位置的振動沖擊較大。

風(fēng)箱為3 mm厚的EN AW 5754鋁板，整體剛度不夠，中間2塊橫向和縱向的寬幅筋板則為2 mm厚的同材質(zhì)鋁板插接后雙面段焊打膠連接，剛度亦不足，且電機(jī)與風(fēng)箱相接處孔的周圍局部剛度不足，電機(jī)隨變流器冷卻液溫度改變轉(zhuǎn)速帶來交變振動、氣動載荷[2]，導(dǎo)致疲勞破壞。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)和計(jì)算

針對振動試驗(yàn)進(jìn)行了以下結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以改善整體剛度不足的問題：

(1) 取消中間隔板的焊接，將中部隔板分為3塊(原橫隔板一分為二，鉚接在立板上)，翻邊寬度由25 mm增加到30 mm；

(2) 中部隔板厚度由2 mm增加到4 mm；

(3) 將底部橫梁由3 mm厚的折彎鋁板更改為4 mm×18 mm×30 mm的角鋁型材；

(4) 風(fēng)箱安裝圓孔周圍各增加3條3 mm厚不銹鋼墊板；

(5) 在箱體底部四角均焊接4 mm厚的補(bǔ)強(qiáng)鋁筋板；

(6) 中部隔板與箱體鉚接處補(bǔ)焊4 mm厚的鋁筋板。

為了驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度方面的改進(jìn)效果，采用ANSYS進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算。模型采用的是殼體單元，幾何模型如圖5所示，變流器風(fēng)箱原結(jié)構(gòu)規(guī)模為519 788個單元和526 254個節(jié)點(diǎn)；補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)規(guī)模為541 262個單元和549 177個節(jié)點(diǎn)[3]。

圖5 原結(jié)構(gòu)(左)和補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)(右)有限元模型圖

變流器箱體單元材料為EN AW 5754，其屈服強(qiáng)度為80 MPa[4]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663—1—2010《鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》，變流器風(fēng)箱單元在橫向、縱向、垂向分別施加1g的慣性載荷，在變流器與橡膠連接塊的連接面處施加垂向約束，在橡膠連接塊的兩端施加橫向和縱向約束，其中相接連接塊用梁單元(Beam 188)進(jìn)行模擬。關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力如圖6、圖7、圖8所示。

(a)原方案 (b)補(bǔ)強(qiáng)方案 圖6 縱向施加1g慣性載荷關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力云圖

(a)原方案 (b)補(bǔ)強(qiáng)方案圖7 橫向施加1g慣性載荷關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力云圖

(a)原方案 (b)補(bǔ)強(qiáng)方案圖8 垂向施加1g慣性載荷關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力云圖

通過有限元仿真計(jì)算，得出如下結(jié)論：(1)原設(shè)計(jì)方案剛度小，存在應(yīng)力集中點(diǎn)，并與發(fā)生故障的部位一致；

(2)補(bǔ)強(qiáng)方案增加了箱體的剛度，明顯降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值。

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，在振動試驗(yàn)臺進(jìn)行了樣品的振動對比試驗(yàn)[5]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同工況各測點(diǎn)加速度估計(jì)值 /(m·s-2)

從表2可以看出，補(bǔ)強(qiáng)方案中各測點(diǎn)幅值普遍小于原結(jié)構(gòu)中相應(yīng)測點(diǎn)處幅值。改進(jìn)后電機(jī)測點(diǎn)處，工作頻率對應(yīng)幅值明顯小于原結(jié)構(gòu)中對應(yīng)測點(diǎn)幅值，說明結(jié)構(gòu)改進(jìn)合理。

實(shí)際運(yùn)用中，鐵路裝備重要部件的更改還要經(jīng)過線路動應(yīng)力測試和裝車線路運(yùn)營考核等環(huán)節(jié)才可以正式定型并投入批量生產(chǎn)[5]，不過在理論計(jì)算和試驗(yàn)臺對比試驗(yàn)階段已最大程度地模擬了實(shí)際運(yùn)營環(huán)境，縮短了設(shè)計(jì)定型到批量生產(chǎn)的周期，極大降低了線路運(yùn)營考核不合格帶來的結(jié)構(gòu)再次更改的可能性，因此理論計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)臺對比試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法在動車組設(shè)計(jì)中被大量應(yīng)用。

4 結(jié)束語

截至目前，經(jīng)過改進(jìn)后的風(fēng)箱在線路運(yùn)營考核中未再發(fā)生前述故障，說明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)合理，新結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于后續(xù)車輛。

通過振動試驗(yàn)找出問題根源，針對問題進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，利用計(jì)算機(jī)有限元方法模擬仿真計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核，然后制作樣件進(jìn)行振動試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，對CRH3型動車組變流器冷卻單元風(fēng)箱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義，這種方法也為其他部件的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了技術(shù)參考。

[1] 徐 煉，馬紀(jì)軍，范樂天，等. 高速列車車下懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，33(5)：11-13.

[2] 高 峰，楊永勤，宿 崇，等.高速動車組制動風(fēng)缸吊裝結(jié)構(gòu)振動特性分析[J].大連交通大學(xué)報(bào)，2013，34(5)：20-24.

[3] 李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[4] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,1991.

[5] 范樂天，管全梅，高 軍，等.高速列車車下設(shè)備艙模塊化彈性吊裝設(shè)計(jì)[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(6)：23-26.□

(編輯：李琳琳)

2095-5251(2016)06-0021-02

2016-04-18

李福祿(1983-)，男，本科學(xué)歷，工程師，從事動車組裝、調(diào)試、檢修工作。

U270.2

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