城軌車輛用輔助電源箱輕量化設(shè)計與研究

馮云明，劉亮，任遜

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，南京 211800）

0 引言

隨著國內(nèi)軌道交通產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，對車輛裝備的節(jié)能、綠色、環(huán)保、高效提出更高要求。作為鐵路科技創(chuàng)新發(fā)展方向和重點任務(wù)之一，車輛及設(shè)備輕量化問題日益受到重視。輕量化對于車輛減重、提速、降噪、降低能源消耗及設(shè)備壽命，具有特別重要的現(xiàn)實意義[1]。

對設(shè)備材料進(jìn)行替代優(yōu)化是降低設(shè)計質(zhì)量的有效手段。鋁合金的材料密度約為鋼材的1/3，同時具有高比強(qiáng)度、抗腐蝕性、高力學(xué)性能等優(yōu)勢，該材料的替代應(yīng)用對減輕車輛設(shè)備自重有利，已在成熟運用[2-3]。

輔助電源系統(tǒng)通過箱體集成并懸掛在車體底部，作為城軌車輛供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，在供電故障時為車輛設(shè)備提供電源。因此，在實現(xiàn)減重目標(biāo)的同時需要確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等可靠性設(shè)計。

1 輔助電源箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

輔助電源系統(tǒng)包括箱體與主電路兩部分。箱體作為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵承載件與車輛連接，具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗震性、耐腐蝕性，可以保證輔助電源系統(tǒng)在使用過程中的安全。為實現(xiàn)輕量化設(shè)計，箱體材質(zhì)為鋁合金，各組成部分由不同厚度的板材焊接而成，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其中：蒙皮厚度為3 mm，吊耳厚度為6 mm，具體材料性能如表1所示。

表1 鋁合金箱體材料性能 MPa

圖1 輔助電源箱結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

輔助電源箱體為鈑金件，材料的厚度與長度和寬度相比小得多，因此在有限元建模時采用殼單元[2]。采用整體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2所示。主電路模塊作為負(fù)載使用質(zhì)量點單元模擬功能模塊。對箱體頂部吊耳的4個安裝點進(jìn)行約束，節(jié)點數(shù)為135 340，單元數(shù)為133 218，箱體主要采用shell單元，螺栓采用beam單元。

圖2 輔助電源箱有限元模型

2.2 靜強(qiáng)度分析

根據(jù)GB/T 21563標(biāo)準(zhǔn)，箱體結(jié)構(gòu)在縱向5g、橫向3g、垂向3g沖擊下最大應(yīng)力允許超過材料屈服強(qiáng)度，但不能超過材料的抗拉強(qiáng)度。但秉承更高的安靠可靠性理念，在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計時用材料的屈服強(qiáng)度去評估箱體的可靠性。

根據(jù)GB/T 21563，確定靜強(qiáng)度計算工況如表2所示。表2中，g為重力加速度，取值為9.8 m/s2。

表2 靜強(qiáng)度計算工況

經(jīng)仿真計算，各工況靜強(qiáng)度計算結(jié)果如表3所示。通過數(shù)據(jù)分析，最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)高，箱體具有較高的強(qiáng)度儲備。

表3 靜強(qiáng)度計算結(jié)果

2.3 疲勞強(qiáng)度分析

考慮到鋁合金的疲勞強(qiáng)度比碳鋼低，且焊接結(jié)構(gòu)傳力焊縫的抗疲勞能力明顯低于構(gòu)成母材，需要對鋁合金箱體的疲勞特性進(jìn)行評估[4]。本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《IIW document IIW-2259-15 ex XIII-2460-13/XV-1330-03 焊接接頭和部件疲勞設(shè)計要求》中的鋁合金焊接接頭的許用疲勞強(qiáng)度及對應(yīng)的S-N曲線，采用專業(yè)的疲勞計算軟件對輔助電源箱進(jìn)行疲勞計算。軟件內(nèi)集成了S-N曲線，計算過程中，軟件將自動通過S-N曲線公式推算出在規(guī)定循環(huán)次數(shù)下的許用疲勞極限。該軟件的疲勞評估方法主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 1993-1-9中規(guī)定的法向應(yīng)力法，公式如下：

焊縫疲勞利用率:UFN=1/αN，疲勞利用率小于1即說明疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。式中其余代號不作贅述。

根據(jù)EN12663，疲勞強(qiáng)度計算工況如表4所示。表4中，g為重力加速度，取值為9.8 m/s2。

表4 疲勞強(qiáng)度計算工況

經(jīng)仿真計算，在各種工況作用下的疲勞計算結(jié)果歸納如表5所示。

表5 疲勞強(qiáng)度計算結(jié)果

通過計算結(jié)果可以得出整個箱體疲勞利用率最大值為0.285，小于0.75。根據(jù)EN 15085中關(guān)于應(yīng)力等級的定義，整個輔助電源箱的應(yīng)力等級為低。輔助電源箱的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

2.4 模態(tài)分析

車輛運行過程中，因輪軌接觸及車輛自身振動引起的設(shè)備振動，會造成設(shè)備損壞甚至功能失效。通過模態(tài)分析確定輕量化設(shè)計后輔助電源箱的振動特性和固有頻率是一種有效手段。本文針對輔助電源箱計算了前20階振動模態(tài)，采用Block Lanczos模態(tài)提取方法[5]取前3階主要頻率及相應(yīng)振型如圖3、表6所示。通過振型圖及表數(shù)據(jù)分析，輔助電源箱能夠滿足車輛安全運行的要求。

圖3 模態(tài)振型圖

表6 模態(tài)前三階計算結(jié)果

3 試驗驗證

為了研究并驗證輔助電源箱能夠在振動和沖擊環(huán)境下結(jié)構(gòu)與性能穩(wěn)定且滿足軌道交通車輛設(shè)備的壽命要求，進(jìn)行了振動沖擊試驗。振動沖擊試驗按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21563的Ⅰ類B級要求執(zhí)行，主要試驗項點包含功能性試驗、模擬長壽命試驗和沖擊試驗，試驗安裝狀態(tài)如圖4所示。試驗過程中，各項性能參數(shù)測試正常。試驗結(jié)束后，對比試驗前后產(chǎn)品外觀無變化。

圖4 輔助電源箱試驗安裝狀態(tài)

4 結(jié)論

本文基于“以鋁代鋼”手段對軌道車輛用輔助電源箱進(jìn)行了輕量化設(shè)計：1）輕量化設(shè)計的鋁合金箱體整體減重約15 kg，實現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)；2）由有限元分析結(jié)果得知，靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及振動特性能夠滿足安全運行要求；3）經(jīng)輕量化設(shè)計的輔助電源箱滿足車輛設(shè)備的沖擊振動要求，后續(xù)將持續(xù)跟蹤裝車后的運用考核驗證效果。