磁浮車輛車下設備安裝結構研究

吳群芳 白秀清 楊申森 唐立國 吳穎旭

(中車唐山機車車輛有限公司，063035，唐山//第一作者,工程師)

磁浮車輛具有載客量大、噪聲低、振動小，以及線路敷設條件寬松、建造成本低、易于檢修維護等優點，而且由于其牽引力不受輪軌間的粘著系數影響，使其爬坡能力強、轉彎半徑小，是舒適、安全、快捷、環保的綠色的軌道交通工具，在各種軌道交通方式中具有獨特的優勢。

磁浮車輛的轉向架機構安裝在車下兩側，與軌道配合進行懸浮。由于這是一種特殊的安裝結構，因此需要在有限的空間內吊裝車下設備。吊裝結構不僅要在有限空間內易于檢修維護，更要滿足強度要求，在振動、沖擊時不能脫落，保證列車運行安全。

1 車下設備安裝設計原則

(1) 設備本身的強度。要考慮設備的質量、重心與吊裝點的相對位置，根據設備本身結構形式及質量確定吊裝點的結構形式為托裝或吊裝。

(2) 車體安裝座的強度。根據設備的質量設計車體安裝座的結構，滿足設備安裝的強度、工藝性及可維護性。在滿足吊裝強度的基礎上，充分考慮減重降噪措施。

(3) 連接強度。根據車體吊裝座和設備的材質、結構確定連接形式。常用的車下設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算連接強度。不同材質連接時需考慮接觸表面的電化學腐蝕問題，通常采用噴涂底漆隔離的方法來避免此問題。

2 車下設備安裝設計注意事項

(1) 限界要求。在車下設備吊裝方案設計階段必須考慮設備限界，設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，以保證車輛在運行過程中設備不侵入限界[1]。

(2) 干涉檢查。在設計車下設備吊裝方案時需考慮安裝環境，留出與其他設備的安全距離，尤其要注意制動管路、線槽、布線、轉向架等設備之間的安全距離。

(3) 工藝性。設計時需考慮設備安裝的操作空間，設備的吊耳要與車體吊裝環境匹配，尤其注意吊耳翻邊高度、倒角尺寸等，避免安裝干涉問題；還要考慮設備的接線問題，為設備與設備間的接線預留一定空間。

(4) 檢修維護。設計時需核實設備各個檢查門的打開角度，尤其注意折頁門打開到位的行程，在此行程軌跡范圍內不能有遮擋。對于使用螺栓或四角鎖的檢查門，要核實拆卸空間，保證設備在使用過程中具有可維修性、可維護性。

3 常用車下設備安裝結構分析

基于現有的磁浮車輛平斷面，對常用的車下設備安裝結構進行分析，一般設備吊裝區域如圖1所示。吊裝區域主要分為中部吊裝區域和兩側吊裝區域。由于車體與轉向架、二次系之間空間較小，兩側的設備吊裝區域只能布置尺寸小、質量輕的設備；相比兩側的吊裝區域，中部吊裝區域空間更大，可布置質量大、尺寸大的設備。

磁浮車輛車下設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，其中懸浮控制器質量相對較輕，設備尺寸相對較小，可以布置在兩側；其他較大的設備一般布置在中部區域；當某個質量較大的設備可拆分為2個設備箱時，也可布置在兩側區域。

圖1 磁浮車輛車下設備吊裝區域

3.1 底架C型槽安裝

通過車體底架中部區域的C型槽安裝設備，如圖2所示。底架型材自帶C型槽，C型槽內安裝與其斷面相匹配的滑塊，C型槽下側安裝加強座。設備箱有伸出的吊耳結構，通過緊固件與加強座、底架C型槽連接在一起。具體安裝結構如圖3所示。設備的重力通過螺栓連接傳遞到車體底架C型槽上。C型槽的結構為下表面開口結構，受力后容易擴張。通過增加加強座對C型槽施加向內的束縛力，抵消C型槽向兩側的擴張力，以此減小C型槽變形。

圖2 底架C型槽吊裝設備

此結構為磁浮車輛常用的吊裝結構，且安裝形式相對簡單。車體底架型材自帶的吊裝C型槽，承重、抗拉強度好，車體底架上不需要額外焊接安裝座，有利于車輛減重。但此結構也存在以下缺點：

(1) 設備吊裝位置受轉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，各個設備間距離小，檢修維護不方便。

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

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

3.2 底架吊裝轉接座安裝

車體底架吊裝轉接座安裝結構見圖4。設備托裝在轉接座上。

圖4 底架吊裝轉接座

此結構需要車體底架型材具有2條相鄰的C型槽，通過與C型槽斷面相匹配的轉接座滑條、扣件、緊固件將轉接座連接到車體底架上，如圖5所示。

圖5 轉接座安裝結構

此種托裝結構承載能力好，適用于質量較大的設備，托裝結構相比吊裝結構更安全；安裝結構簡單，便于生產制造，設備的安裝高度可調整性好，方便車下布線、制動管路設計和安裝;且此結構對于布線和管路的日常檢修維護空間大，簡單易操作。但此結構也存在以下缺點：

(1) 設備尺寸大小不同，無法做到使用固定的C型槽吊裝整車的車下設備，需根據設備尺寸及底架結構合理設置型材斷面中C型槽的數量。

(2) 轉接座質量較大，增加整車質量，不利于車輛的減重節能。

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

3.3 底架焊接轉接座安裝

車體底架焊接專用的安裝座，設備上有伸出的吊耳，通過安裝座上的安裝孔與緊固件吊裝車下設備。吊裝結構示意圖如圖6所示。

圖6 底架焊接安裝座

焊接安裝座時，需保證同一個設備的安裝座焊接后的平面度≤2 mm，盡量減小焊接變形量對設備吊裝的影響。安裝座與底架邊梁距離較近處無法焊接，使用密封膠進行密封，防止焊縫腐蝕。焊接安裝座如圖7所示。焊接質量要求按照EN 15085標準執行，焊縫質量等級為CPC 2級。

圖7 安裝座焊接

吊裝結構詳細視圖如圖8所示。此種結構一般用于車體兩側的吊裝區域。其優點是：設備箱安裝及檢修維護較簡單；設備與車體之間有部分空間，可以用來布置懸浮控制線纜及制動管路；安裝座為鋁合金型材結構，型材的抗拉強度好，鋁型材與碳鋼安裝座相比質量更輕；設計結構簡單，可根據不同設備尺寸在車體底架對應位置設置安裝座，適合吊裝較輕的車下設備。

圖8 吊裝結構詳細視圖

此種結構不需要將懸浮控制器分批次安裝，可在落轉向架前全部安裝完成，便于生產制造，工藝性好。但此種結構存在如下缺點：

(1) 車下設備布置與傳統磁浮車輛不一致，需重新設計設備箱排布、安裝結構。

(2) 若設計抽屜式設備箱，箱體高度受限。

(3) 底架焊接安裝座，焊接質量對安裝面的平面度有很大影響。

4 仿真分析

設計磁浮車輛車下設備安裝結構時，除考慮上述設計原則、注意事項外，還需對設計結構進行仿真計算，通過對計算結果的分析校核，驗證設計結構的可靠性。

C型槽吊裝、轉接座托裝結構較為成熟，而焊接安裝座適配抽屜式設備箱安裝運用較少，因此本文以此結構為例進行仿真計算分析，通過對安裝座、安裝螺栓的仿真計算，驗證底架焊接安裝座吊裝抽屜式設備箱的可靠性。

4.1 適用標準及參數選取

4.1.1 適用標準

根據標準EN 12663—2010[3]和IEC 61373—2010[4]要求，需對安裝座及安裝螺栓進行靜強度計算，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為垂向動荷系數，c的取值為2。

根據以上載荷說明，需要對以下8種計算工況進行靜強度分析，見表1。

表1 靜強度分析計算工況

4.1.2 參數選取

仿真計算選取質量為200 kg的設備，使用4個安裝座吊裝設備。

(1) 安裝座型材為EN AW-6005A-T6，其基本力學性能：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M10的8.8級六角頭螺栓。

4.2 安裝座仿真

本次計算采用殼單元對結構進行簡化，使用Hyper Mesh軟件進行建模、網格劃分，使用ANSYS軟件進行求解計算，單元類型采用殼單元Shell181。有限元模型共有31 061個單元和31 544個節點。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 安裝座三維結構示意圖

圖10 安裝座有限元模型

通過仿真分析安裝座在8種計算工況下的整體應力云圖，得出各工況的極限值(見表2)。

表2 安裝座各工況應力極限值

由表2可見，安裝座結構所受的最大應力值均小于其所用材料的屈服強度215 MPa，滿足設計要求。

4.3 安裝螺栓受力仿真及強度校核

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

通過對8種計算工況下螺栓的靜強度進行計算，得到螺栓受力情況(見表3)。其中：Fx為作用在螺栓上的軸向力(沿車輛運行方向)，Fy為作用在螺栓上的垂向力，Fz為作用在螺栓上的橫向力。

4.3.2 螺栓強度校核

4.3.2.1 軸向應力校核

螺栓采用8.8級M8型號，緊固力矩T的計算公式為：

T=0.2×F0×d

(1)

式中：

F0——螺栓的預緊力；

d——螺栓直徑。

已知T為40 Nm，可以計算出F0約為20 kN。

作用在螺栓上的總載荷F2的計算公式為：

(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，螺栓相對剛度的取值大小與螺栓和被連接件的結構尺寸、材料，以及墊片、工作載荷的作用位置等因素有關，其值在0～1之間波動。設計時，螺栓相對剛度的取值一般可以根據墊片材料使用以下推薦數據：金屬墊片或無墊片的相對剛度取值為0.2～0.3；皮革墊片的相對剛度取值為0.7；銅皮石棉墊片的相對剛度取值為0.8；橡膠墊片的相對剛度取值為0.9。

由于此處墊片采用的是金屬墊片，故取螺栓的相對剛度為0.3。根據表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力σca的計算公式為：

(3)

式(3)中，系數1.3考慮了扭轉切應力的影響。由此得出σca為333.7 MPa。根據以上計算結果可知,螺栓所受的軸向應力小于螺栓屈服強度640 MPa，軸向應力滿足要求。

4.3.2.2 橫向滑動性檢驗

當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，螺栓不會發生橫向滑動。連接件所允許的最大橫向力Ft,max計算公式為：

Ft,max=(F2-F)fc

(4)

式中：

fc——螺栓連接結合面的摩擦系數，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計算公式為：

(5)

根據式(5)及仿真結果計算得到Fq,max為3.2 kN。因Ft,max>Fq,max，所以螺栓連接件不會發生橫向滑動。

通過上述仿真分析及強度校核可知：底架焊接安裝座安裝設備的結構滿足磁浮車輛車下設備的安裝要求。

5 結語

隨著近年來磁浮車輛的迅速發展，磁浮車輛的速度等級在不斷提高，速度等級越高車下設備越復雜多樣，對車下設備安裝空間、安裝結構要求也越高。磁浮車輛的轉向架、二次系結構將車下空間切割成區塊結構，如何在有限的空間內設計合理的安裝結構就顯得尤為重要。設計時要充分考慮設計原則和需要注意的事項，保證安裝結構合理，避免對生產制造、檢修維護帶來不便。

本文提及的3種安裝結構各有利弊，設計時可根據底架型材結構、設備質量等影響因素做出最優選擇，并根據車輛的實際運行環境、振動沖擊要求進行仿真計算，對仿真結果進行分析和校核，以此驗證設計結構的可靠性。