鉸接式有軌電車車下動力電池安裝螺栓連接結構強度分析

摘" 要：氫能作為綠色的清潔能源，在電客車領域的應用成為當下國內外研究的焦點。氫燃料混合動力鉸接車是一種以鉸接式輕軌車為載體，以動力電池和氫燃料電池為動力系統(tǒng)的氫能源有軌電客車，該文主要分析該種車型車下大設備安裝方式，并對動力電池的安裝螺栓連接強度進行有限元仿真和校核。結果表明，螺栓預緊力、靜強度、防滑安全系數(shù)和交變載荷滿足VDI 2230標準，該種螺栓安裝連接方式可作為設備安裝的設計依據。同時，研究內容為氫能源鉸接車及其他城市軌道交通車輛的車下設備安裝方式提供一定的參考。

關鍵詞：氫能；鉸接車；設備安裝；校核；連接方式

中圖分類號：U270.12" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0027-04

節(jié)能減排是軌道交通領域近年來關注的重點，氫能作為新的綠色能源持續(xù)受到關注和研究，目前氫燃料電池與動力電池組成的動力系統(tǒng)在軌道交通車輛領域逐漸得到運用[1-2]。中車大同電力機車有限公司研發(fā)了一款氫燃料混合動力機車，實現(xiàn)機車的綠色節(jié)能運行[3]。湖南中車智行科技有限公司對三編組的智軌電車進行動力系統(tǒng)升級，采用氫能源與動力電池的混合動力系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛續(xù)航里程從70 km到300 km的躍升[4]。

本公司在現(xiàn)有鉸接式輕軌車平臺上進行動力系統(tǒng)升級，搭載一套氫燃料電池和動力電池，動力電池在車輛啟動時可滿足加速度大的要求，氫燃料電池提供較強的續(xù)航。作為新一代輕軌列車，且為國內首列自主研發(fā)的氫燃料混合動力鉸接輕軌車，車輛采用無網供電技術，燃料電池從零到充滿僅需要15 min，續(xù)航里程不低于100 km。

相較于地鐵車輛，鉸接式輕軌車的尺寸小，因此安裝空間有限，基于車型特點，該種車型的氫燃料電池箱安裝布置在車頂，動力電池安裝于車體底架上，如圖1所示。車下大設備安裝的可靠性對行車安全非常重要，因此，安裝螺栓的強度計算是必要的。本文選取了車下具備典型意義大設備——動力電池，基于VDI 2230標準（VDI 2230標準是德國機械工程師協(xié)會（VDI）發(fā)布的一項標準，名為“Systematic Calculation of High Duty Bolted Joints”，中文譯為“高負荷螺栓連接的系統(tǒng)計算”）對設備安裝的螺栓強度進行計算、校核[5-7]，結果表明，設計選型符合標準，計算結果可為設計方式提供重要依據。

1" 設備與邊梁連接處螺栓連接

基于鉸接車的車型小及運行時具有防脫落的要求，動力電池設備選擇托裝在車體邊梁上，如圖2所示的安裝方式，從上至下的連接組件有帶螺紋的壓塊，不帶螺紋的圓柱套筒，防松碟形墊圈及起連接作用的螺栓。

1.1" 動力電池箱

動力電池重量為2 550 kg，采用16個M16×110的螺栓進行安裝。

1.2" 螺栓選型

動力電池箱采用M16，10.9級螺栓，帶螺紋的壓塊緊固（材質為45#，調質處理，表面硬度HRC22-34），防松墊片材質為德標DIN9250碳鋼防松墊圈。

緊固力矩：M16-280N·m。

1.3" 螺栓選型

螺栓的基本參數(shù)見表1。

2" 有限元模型

動力電池的托裝結構模型采用HyperMesh軟件劃分計算網格，有限元模型的節(jié)點總數(shù)為661 030個，單元總數(shù)為646 203個。圖3所示是將動力電池箱邊梁托裝設備模型進行有限元離散的結果。

3" 載荷及組合工況

根據EN 12663-1標準《鐵路應用 鐵道車輛車體結構要求》中P-Ⅳ要求在振動作用下受到x、y、z方向的加速度，表2所示為不同工況的載荷。不同設備的安裝位置不同則c值不同，車體端部c取2.0，車體中心c取0.5，線性取值，根據動力電池箱的安裝位置，動力電池箱c取0.56。

載荷工況組合見表2。

4" 有限元計算結果

使用有限元軟件對動力電池整體進行強度計算，由靜強度仿真分析的結果可知，單元編號為450697的螺栓在縱向3 g的沖擊載荷作用下所受的軸向力最大，最大軸向力和所受最大橫向載荷為

5" 基于VDI 2230標準的螺栓強度校核

基于VDI 2230標準的螺栓強度校核流程如下。

①基于有限元計算結果得到受力最大的螺栓，得到螺栓所受最大軸向力和所受最大橫向載荷；②根據標準確定擰緊系數(shù)；③根據標準計算最小夾持力；④根據標準確定螺栓與被連接件的柔度；⑤確定載荷系數(shù)；⑥預緊力損耗；⑦裝配預緊力校核；⑧靜強度校核；⑨校核防滑安全系數(shù)和交變載荷校核。

以上校核結果如有不滿足的，應調整緊固件參數(shù)的選型，直至滿足標準值為止。

5.1" 預緊系數(shù)

根據VDI 2230表A8，因車輛設備安裝方式為扭矩扳手擰緊，所以?。孔罙=1.6。

5.2" 最小夾持力Fker f

根據標準，最小夾持力Fkerf≥FKQ

式中：FKQ為滿足抗剪要求的最小預緊力；F■為最大橫向載荷；M■為相對螺栓軸線的扭矩，取0；q■為傳遞橫向載荷摩擦接觸面數(shù)，取1；？滋■為摩擦面最小摩擦系數(shù)，按照VDI 2230標準的表A6，取0.28，計算最小夾持力。則Fker f ≥FKQ=■＝54 000 Ｎ 。 （2）

5.3" 螺栓與被連接件的柔度

5.3.1" 螺栓彈性柔度

如圖4所示，螺栓可按照以下幾段分別考慮其柔度：螺栓頭？啄SK、光桿柔度？啄1、未旋合螺紋？啄Gew、旋合螺紋？啄G、螺母區(qū)域？啄M。螺栓材料彈性模量ES=206 000 MPa。？啄=■，l為螺栓為各部分長度，A為螺栓橫截面積，則得到螺栓的總柔度如下

5.3.2" 被夾緊件彈性柔度

確定板件的等效外徑ＤA，應將總面積Ages=5 510 mm2轉換成圓面積。

由于基礎體的等效外徑D′Ａ與分切面的差異不大，就取D′Ａ=DＡ。取輔助尺寸？茁L=lk/dw=2.534 5，y=D′Ａ/dw=3.724 43，標準中對于DSV連接方式，替代變形椎體角度

對于DSV連接方式，代入Ｗ＝１，可以得到值

由于DAgt;DA，Gr，取被夾緊件材料彈性模量Ep=200 000 MPa，則變形體的柔度為

5.3.3" 確定載荷系數(shù)

標準中載荷系數(shù)公式為

相對剛度修正系數(shù)n與連接的集合形狀及載荷作用位置有關。VDI 2230標準中給出了6種不同的等效變形體及受載情形，根據計算結果可知，VDI 2230標準中情形SV2適用。n的求取方法可以通過VDI 2230標準中表5.2/1插值法得到。由于直接提取螺栓連接處的載荷，因此可認為螺栓連接為同心夾緊與加載，Ak=0，LA=0。得到載荷傳導系數(shù)n=0.57。代入變形體柔度值，計算得到載荷系數(shù)為

5.4" 預緊力損耗Fz

接觸面的粗糙度會引起相互嵌入，從而造成預緊力損失。接觸表面粗糙度，根據VDI 2230標準中表5.4/1可得各個接觸部分的嵌入量。螺紋旋合部分相互嵌入量fZ1=3 μm，螺母、螺栓頭與吊座接觸部分嵌入量fZ2=3 μm×2=6 μm，分切面部分的接觸面嵌入量為2 μm。則fZ=11 μm。則預緊力的減少ＦＺ為

5.5" 裝配預緊力校核

為滿足連接的可靠，最大許用力應大于最大預緊力，即ＦＭＺulgt;FMmax。

計算最小預緊力FMmin及最大預緊力FMmax，結果如下

式中：ＦＭ為安裝預緊力；M為安裝力矩，為280 000 Ｎ·mm；不考慮環(huán)境溫度損失，？駐F′vth=0。

因此，滿足最小預緊力要求。根據VDI 2230標準中表A1查得最大許用力FMzul=FMTab=124 400 N 。 （14）

因此，F(xiàn)Mzulgt;FMmax，即螺栓預緊力滿足要求。

5.6" 靜強度校核

根據工作載荷與螺栓預緊力的關系，求得最大螺栓力為

式中：FSmax為螺栓軸向載荷；FSAmax為螺栓軸向載荷增量。

式中：？滓？爪為螺栓拉伸應力；？子max為MG作用下螺紋扭曲應力；MG為螺紋扭矩；WP為螺栓橫截面極性阻力矩。求得？子max=228.641MPa 。 （20）

與扭轉應力的合成應力為

式中：？滓red，Ｂ為工作狀態(tài)下比較應力；k？子為降低系數(shù)，取值為0.5；對于強度等級10.9的M16螺栓，[？滓]=900 MPa，？滓red，Ｂlt;[？滓]，所以所選螺栓是安全的，安全系數(shù)為n=■=1.41。

5.7" 校核防滑安全系數(shù)SG和交變載荷

一定的軸向力大小可防止結合面發(fā)生滑動。則最小剩余預緊力FKRmin和夾緊力FKerf為

靜載荷的標準值為：SG≥1.2。因此螺栓的防滑安全系數(shù)滿足要求。

運營工況下的交變載荷校核

因為螺栓連接強度？滓a小于疲勞強度？滓AＳＶ。SD=■=9.53，因此，該螺栓的抗剪切能力滿足要求。綜上所述，螺栓校核結果見表3。

6" 結論

1）本文采用有限元仿真對螺栓安裝進行了計算，得到受力最大的螺栓及螺栓所受最大軸向力和所受最大橫向載荷。

2）基于VDI 2230標準中對螺栓強度的校核流程，通過對車下動力電池箱的邊梁托裝方式和對動力電池設備與邊梁連接螺栓在規(guī)定工況下的強度校核，計算得到選用螺栓的裝配預緊力、靜強度、校核防滑安全系數(shù)及交變載荷滿足設計要求。

3）本文基于VDI 2230標準的計算校核可靠、合理，為設計選型結果提供可靠的理論依據，也為動力電池箱在其他電客車的安裝方式提供參考價值。

4）燃料混合動力鉸接車采用車頂布置燃料電池，車底架邊梁托裝動力電池的方式，解決了輕軌車輛設備安裝空間小的難題，設備托裝方式使車輛運行更加安全，可保證運行時無設備脫落風險，因此可作為一種典型的氫能鉸接車設備布置及安裝方式。

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Abstract： As a green clean energy source， the application of hydrogen energy in the field of electric buses has become the focus of research at home and abroad. Hydrogen-fuel hybrid articulated vehicle is a kind of hydrogen energy rail-electric passenger car that uses articulated light rail vehicles as the carrier and power cells and hydrogen fuel cells as the power systems. This paper mainly analyzes the installation method of large equipment under the vehicle of this type of vehicle， and carries out finite element simulation and verification on the installation bolt connection strength of the power battery. The results show that the bolt pre-tightening force， static strength， anti-slip safety factor and alternating load meet the requirements of VDI 2230 Standard， and this bolt installation and connection method can be used as the design basis for equipment installation. At the same time， the research content provides certain reference for the installation methods of under-vehicle equipment for hydrogen energy articulated vehicles and other urban rail transit vehicles.

第一作者簡介：王龍飛（1992-），男，碩士，工程師。研究方向為軌道交通車輛。