磁浮車輛車下設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)研究

吳群芳 白秀清 楊申森 唐立國(guó) 吳穎旭

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，063035，唐山//第一作者,工程師)

磁浮車輛具有載客量大、噪聲低、振動(dòng)小，以及線路敷設(shè)條件寬松、建造成本低、易于檢修維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，而且由于其牽引力不受輪軌間的粘著系數(shù)影響，使其爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小，是舒適、安全、快捷、環(huán)保的綠色的軌道交通工具，在各種軌道交通方式中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

磁浮車輛的轉(zhuǎn)向架機(jī)構(gòu)安裝在車下兩側(cè)，與軌道配合進(jìn)行懸浮。由于這是一種特殊的安裝結(jié)構(gòu)，因此需要在有限的空間內(nèi)吊裝車下設(shè)備。吊裝結(jié)構(gòu)不僅要在有限空間內(nèi)易于檢修維護(hù)，更要滿足強(qiáng)度要求，在振動(dòng)、沖擊時(shí)不能脫落，保證列車運(yùn)行安全。

1 車下設(shè)備安裝設(shè)計(jì)原則

(1) 設(shè)備本身的強(qiáng)度。要考慮設(shè)備的質(zhì)量、重心與吊裝點(diǎn)的相對(duì)位置，根據(jù)設(shè)備本身結(jié)構(gòu)形式及質(zhì)量確定吊裝點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式為托裝或吊裝。

(2) 車體安裝座的強(qiáng)度。根據(jù)設(shè)備的質(zhì)量設(shè)計(jì)車體安裝座的結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)備安裝的強(qiáng)度、工藝性及可維護(hù)性。在滿足吊裝強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，充分考慮減重降噪措施。

(3) 連接強(qiáng)度。根據(jù)車體吊裝座和設(shè)備的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)確定連接形式。常用的車下設(shè)備連接形式為螺栓連接、HUCK鉚釘鉚接。不論采用何種形式的連接均需計(jì)算連接強(qiáng)度。不同材質(zhì)連接時(shí)需考慮接觸表面的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，通常采用噴涂底漆隔離的方法來(lái)避免此問(wèn)題。

2 車下設(shè)備安裝設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

(1) 限界要求。在車下設(shè)備吊裝方案設(shè)計(jì)階段必須考慮設(shè)備限界，設(shè)備的自然邊界距離限界的橫向及垂向邊界線保證留有一定的余量，以保證車輛在運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備不侵入限界[1]。

(2) 干涉檢查。在設(shè)計(jì)車下設(shè)備吊裝方案時(shí)需考慮安裝環(huán)境，留出與其他設(shè)備的安全距離，尤其要注意制動(dòng)管路、線槽、布線、轉(zhuǎn)向架等設(shè)備之間的安全距離。

(3) 工藝性。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮設(shè)備安裝的操作空間，設(shè)備的吊耳要與車體吊裝環(huán)境匹配，尤其注意吊耳翻邊高度、倒角尺寸等，避免安裝干涉問(wèn)題；還要考慮設(shè)備的接線問(wèn)題，為設(shè)備與設(shè)備間的接線預(yù)留一定空間。

(4) 檢修維護(hù)。設(shè)計(jì)時(shí)需核實(shí)設(shè)備各個(gè)檢查門的打開角度，尤其注意折頁(yè)門打開到位的行程，在此行程軌跡范圍內(nèi)不能有遮擋。對(duì)于使用螺栓或四角鎖的檢查門，要核實(shí)拆卸空間，保證設(shè)備在使用過(guò)程中具有可維修性、可維護(hù)性。

3 常用車下設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)分析

基于現(xiàn)有的磁浮車輛平斷面，對(duì)常用的車下設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，一般設(shè)備吊裝區(qū)域如圖1所示。吊裝區(qū)域主要分為中部吊裝區(qū)域和兩側(cè)吊裝區(qū)域。由于車體與轉(zhuǎn)向架、二次系之間空間較小，兩側(cè)的設(shè)備吊裝區(qū)域只能布置尺寸小、質(zhì)量輕的設(shè)備；相比兩側(cè)的吊裝區(qū)域，中部吊裝區(qū)域空間更大，可布置質(zhì)量大、尺寸大的設(shè)備。

磁浮車輛車下設(shè)備主要包括牽引變流器、DC-DC變流器、DC-AC變流器、電抗器、高壓柜、蓄電池、懸浮控制器等，其中懸浮控制器質(zhì)量相對(duì)較輕，設(shè)備尺寸相對(duì)較小，可以布置在兩側(cè)；其他較大的設(shè)備一般布置在中部區(qū)域；當(dāng)某個(gè)質(zhì)量較大的設(shè)備可拆分為2個(gè)設(shè)備箱時(shí)，也可布置在兩側(cè)區(qū)域。

圖1 磁浮車輛車下設(shè)備吊裝區(qū)域

3.1 底架C型槽安裝

通過(guò)車體底架中部區(qū)域的C型槽安裝設(shè)備，如圖2所示。底架型材自帶C型槽，C型槽內(nèi)安裝與其斷面相匹配的滑塊，C型槽下側(cè)安裝加強(qiáng)座。設(shè)備箱有伸出的吊耳結(jié)構(gòu)，通過(guò)緊固件與加強(qiáng)座、底架C型槽連接在一起。具體安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)備的重力通過(guò)螺栓連接傳遞到車體底架C型槽上。C型槽的結(jié)構(gòu)為下表面開口結(jié)構(gòu)，受力后容易擴(kuò)張。通過(guò)增加加強(qiáng)座對(duì)C型槽施加向內(nèi)的束縛力，抵消C型槽向兩側(cè)的擴(kuò)張力，以此減小C型槽變形。

圖2 底架C型槽吊裝設(shè)備

此結(jié)構(gòu)為磁浮車輛常用的吊裝結(jié)構(gòu)，且安裝形式相對(duì)簡(jiǎn)單。車體底架型材自帶的吊裝C型槽，承重、抗拉強(qiáng)度好，車體底架上不需要額外焊接安裝座，有利于車輛減重。但此結(jié)構(gòu)也存在以下缺點(diǎn)：

(1) 設(shè)備吊裝位置受轉(zhuǎn)向架及懸浮控制箱影響，車下牽引逆變器、輔助變流器、蓄電池箱等設(shè)備需安裝在同一型材上，呈縱向排列，因此，車下空間較緊張，各個(gè)設(shè)備間距離小，檢修維護(hù)不方便。

(2) 設(shè)備的安裝與拆卸過(guò)程需要使用升降設(shè)備，部分設(shè)備需落轉(zhuǎn)向架后才能安裝，制造過(guò)程工藝性差[2]。

(3) 由于磁浮車輛車下空間相對(duì)地鐵車輛較緊張，車下設(shè)備吊裝占用了很大的空間，制動(dòng)管路、電氣布線安裝只能使用設(shè)備與車體底架之間、設(shè)備與轉(zhuǎn)向架二次系之間的空間。

3.2 底架吊裝轉(zhuǎn)接座安裝

車體底架吊裝轉(zhuǎn)接座安裝結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。設(shè)備托裝在轉(zhuǎn)接座上。

圖4 底架吊裝轉(zhuǎn)接座

此結(jié)構(gòu)需要車體底架型材具有2條相鄰的C型槽，通過(guò)與C型槽斷面相匹配的轉(zhuǎn)接座滑條、扣件、緊固件將轉(zhuǎn)接座連接到車體底架上，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)接座安裝結(jié)構(gòu)

此種托裝結(jié)構(gòu)承載能力好，適用于質(zhì)量較大的設(shè)備，托裝結(jié)構(gòu)相比吊裝結(jié)構(gòu)更安全；安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)制造，設(shè)備的安裝高度可調(diào)整性好，方便車下布線、制動(dòng)管路設(shè)計(jì)和安裝;且此結(jié)構(gòu)對(duì)于布線和管路的日常檢修維護(hù)空間大，簡(jiǎn)單易操作。但此結(jié)構(gòu)也存在以下缺點(diǎn)：

(1) 設(shè)備尺寸大小不同，無(wú)法做到使用固定的C型槽吊裝整車的車下設(shè)備，需根據(jù)設(shè)備尺寸及底架結(jié)構(gòu)合理設(shè)置型材斷面中C型槽的數(shù)量。

(2) 轉(zhuǎn)接座質(zhì)量較大，增加整車質(zhì)量，不利于車輛的減重節(jié)能。

(3) 設(shè)備的安裝與拆卸過(guò)程需要使用升降設(shè)備，部分設(shè)備需落轉(zhuǎn)向架后才能安裝，工藝性差。

3.3 底架焊接轉(zhuǎn)接座安裝

車體底架焊接專用的安裝座，設(shè)備上有伸出的吊耳，通過(guò)安裝座上的安裝孔與緊固件吊裝車下設(shè)備。吊裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 底架焊接安裝座

焊接安裝座時(shí)，需保證同一個(gè)設(shè)備的安裝座焊接后的平面度≤2 mm，盡量減小焊接變形量對(duì)設(shè)備吊裝的影響。安裝座與底架邊梁距離較近處無(wú)法焊接，使用密封膠進(jìn)行密封，防止焊縫腐蝕。焊接安裝座如圖7所示。焊接質(zhì)量要求按照EN 15085標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，焊縫質(zhì)量等級(jí)為CPC 2級(jí)。

圖7 安裝座焊接

吊裝結(jié)構(gòu)詳細(xì)視圖如圖8所示。此種結(jié)構(gòu)一般用于車體兩側(cè)的吊裝區(qū)域。其優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備箱安裝及檢修維護(hù)較簡(jiǎn)單；設(shè)備與車體之間有部分空間，可以用來(lái)布置懸浮控制線纜及制動(dòng)管路；安裝座為鋁合金型材結(jié)構(gòu)，型材的抗拉強(qiáng)度好，鋁型材與碳鋼安裝座相比質(zhì)量更輕；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可根據(jù)不同設(shè)備尺寸在車體底架對(duì)應(yīng)位置設(shè)置安裝座，適合吊裝較輕的車下設(shè)備。

圖8 吊裝結(jié)構(gòu)詳細(xì)視圖

此種結(jié)構(gòu)不需要將懸浮控制器分批次安裝，可在落轉(zhuǎn)向架前全部安裝完成，便于生產(chǎn)制造，工藝性好。但此種結(jié)構(gòu)存在如下缺點(diǎn)：

(1) 車下設(shè)備布置與傳統(tǒng)磁浮車輛不一致，需重新設(shè)計(jì)設(shè)備箱排布、安裝結(jié)構(gòu)。

(2) 若設(shè)計(jì)抽屜式設(shè)備箱，箱體高度受限。

(3) 底架焊接安裝座，焊接質(zhì)量對(duì)安裝面的平面度有很大影響。

4 仿真分析

設(shè)計(jì)磁浮車輛車下設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)時(shí)，除考慮上述設(shè)計(jì)原則、注意事項(xiàng)外，還需對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析校核，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性。

C型槽吊裝、轉(zhuǎn)接座托裝結(jié)構(gòu)較為成熟，而焊接安裝座適配抽屜式設(shè)備箱安裝運(yùn)用較少，因此本文以此結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行仿真計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)安裝座、安裝螺栓的仿真計(jì)算，驗(yàn)證底架焊接安裝座吊裝抽屜式設(shè)備箱的可靠性。

4.1 適用標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)選取

4.1.1 適用標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663—2010[3]和IEC 61373—2010[4]要求，需對(duì)安裝座及安裝螺栓進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，施加如下載荷：縱向加速度±3g、橫向加速度±1g、垂向加速度(1±c)g。其中，g為重力加速度；c為垂向動(dòng)荷系數(shù)，c的取值為2。

根據(jù)以上載荷說(shuō)明，需要對(duì)以下8種計(jì)算工況進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，見(jiàn)表1。

表1 靜強(qiáng)度分析計(jì)算工況

4.1.2 參數(shù)選取

仿真計(jì)算選取質(zhì)量為200 kg的設(shè)備，使用4個(gè)安裝座吊裝設(shè)備。

(1) 安裝座型材為EN AW-6005A-T6，其基本力學(xué)性能：密度為2 700 kg/m3，屈服極限為215 MPa，斷裂極限為255 MPa。

(2) 安裝螺栓使用4個(gè)M10的8.8級(jí)六角頭螺栓。

4.2 安裝座仿真

本次計(jì)算采用殼單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，使用Hyper Mesh軟件進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分，使用ANSYS軟件進(jìn)行求解計(jì)算，單元類型采用殼單元Shell181。有限元模型共有31 061個(gè)單元和31 544個(gè)節(jié)點(diǎn)。安裝座三維模型如圖9所示,安裝座有限元模型如圖10所示。

圖9 安裝座三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 安裝座有限元模型

通過(guò)仿真分析安裝座在8種計(jì)算工況下的整體應(yīng)力云圖，得出各工況的極限值(見(jiàn)表2)。

表2 安裝座各工況應(yīng)力極限值

由表2可見(jiàn)，安裝座結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力值均小于其所用材料的屈服強(qiáng)度215 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 安裝螺栓受力仿真及強(qiáng)度校核

4.3.1 安裝螺栓受力仿真

仿真分析中螺栓的具體布置如圖11所示。

圖11 仿真分析中安裝螺栓的具體布置

通過(guò)對(duì)8種計(jì)算工況下螺栓的靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，得到螺栓受力情況(見(jiàn)表3)。其中：Fx為作用在螺栓上的軸向力(沿車輛運(yùn)行方向)，F(xiàn)y為作用在螺栓上的垂向力，F(xiàn)z為作用在螺栓上的橫向力。

4.3.2 螺栓強(qiáng)度校核

4.3.2.1 軸向應(yīng)力校核

螺栓采用8.8級(jí)M8型號(hào)，緊固力矩T的計(jì)算公式為：

T=0.2×F0×d

(1)

式中：

F0——螺栓的預(yù)緊力；

d——螺栓直徑。

已知T為40 Nm，可以計(jì)算出F0約為20 kN。

作用在螺栓上的總載荷F2的計(jì)算公式為：

(2)

表3 各工況下螺栓受力情況 N

式中：

F——各工況下螺栓所承受軸向力的最大值。

其中，螺栓相對(duì)剛度的取值大小與螺栓和被連接件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料，以及墊片、工作載荷的作用位置等因素有關(guān)，其值在0～1之間波動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)，螺栓相對(duì)剛度的取值一般可以根據(jù)墊片材料使用以下推薦數(shù)據(jù)：金屬墊片或無(wú)墊片的相對(duì)剛度取值為0.2～0.3；皮革墊片的相對(duì)剛度取值為0.7；銅皮石棉墊片的相對(duì)剛度取值為0.8；橡膠墊片的相對(duì)剛度取值為0.9。

由于此處墊片采用的是金屬墊片，故取螺栓的相對(duì)剛度為0.3。根據(jù)表3，螺栓所受的軸向力Fx最大值為491.09 N，近似取值為0.5 kN。由此可以計(jì)算出作用在螺栓上的總載荷F2為20.15 kN。

則螺栓的最大工作應(yīng)力σca的計(jì)算公式為：

(3)

式(3)中，系數(shù)1.3考慮了扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響。由此得出σca為333.7 MPa。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知,螺栓所受的軸向應(yīng)力小于螺栓屈服強(qiáng)度640 MPa，軸向應(yīng)力滿足要求。

4.3.2.2 橫向滑動(dòng)性檢驗(yàn)

當(dāng)連接件所允許的最大橫向力大于各工況下的最大橫向剪切力時(shí)，螺栓不會(huì)發(fā)生橫向滑動(dòng)。連接件所允許的最大橫向力Ft,max計(jì)算公式為：

Ft,max=(F2-F)fc

(4)

式中：

fc——螺栓連接結(jié)合面的摩擦系數(shù)，取值為0.4。

由此可以得出連接件所允許的Ft,max為7.86 kN。

各工況下最大橫向剪切力Fq,max計(jì)算公式為：

(5)

根據(jù)式(5)及仿真結(jié)果計(jì)算得到Fq,max為3.2 kN。因Ft,max>Fq,max，所以螺栓連接件不會(huì)發(fā)生橫向滑動(dòng)。

通過(guò)上述仿真分析及強(qiáng)度校核可知：底架焊接安裝座安裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)滿足磁浮車輛車下設(shè)備的安裝要求。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著近年來(lái)磁浮車輛的迅速發(fā)展，磁浮車輛的速度等級(jí)在不斷提高，速度等級(jí)越高車下設(shè)備越復(fù)雜多樣，對(duì)車下設(shè)備安裝空間、安裝結(jié)構(gòu)要求也越高。磁浮車輛的轉(zhuǎn)向架、二次系結(jié)構(gòu)將車下空間切割成區(qū)塊結(jié)構(gòu)，如何在有限的空間內(nèi)設(shè)計(jì)合理的安裝結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮設(shè)計(jì)原則和需要注意的事項(xiàng)，保證安裝結(jié)構(gòu)合理，避免對(duì)生產(chǎn)制造、檢修維護(hù)帶來(lái)不便。

本文提及的3種安裝結(jié)構(gòu)各有利弊，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)底架型材結(jié)構(gòu)、設(shè)備質(zhì)量等影響因素做出最優(yōu)選擇，并根據(jù)車輛的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境、振動(dòng)沖擊要求進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和校核，以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性。