面向輕量化的高速列車制動控制箱機械性能研究

孔德帥， 尚小菲， 金 哲， 李邦國， 吳 可， 張 寶

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062; 3 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

隨著綠色制造工程、節能及新能源車輛與航空航天裝備被納入“中國制造2025”，高鐵、汽車及航空航天等載運工具制造領域也加快了輕量化進程。所謂輕量化是指通過使用輕量化結構、輕量化材料和輕量化工藝等手段以達到產品減重的目的。復興號是我國具有完全自主知識產權的中國標準動車組，其最高運營速度可達400 km/h。隨著列車運營速度的提高，對零部件的要求也越來越高。制動控制箱是安裝于車體構架下方用于安裝制動控制系統的電子控制單元和氣動控制單元以及撒沙模塊、升弓控制模塊以及停放模塊等的箱體部件[1]。制動控制箱體作為制動系統各功能模塊的載體不僅需要良好的剛度強度和疲勞性能，又要減輕結構自重以降低單位質量所需要的功率，滿足列車高速運營的要求。因此在保證結構可靠的前提下，實現箱體結構的輕量化設計對提高產品的競爭力具有重要意義[2]。

1 有限元模型

在原動車組制動控制箱體的結構基礎上，采用輕質耐腐蝕的鋁合金材料替代原碳鋼材料以實現制動控制箱輕量化，為了保證箱體的剛度和強度并在原設計的基礎上進行局部加強。如表1所示，采用鋁合金材料后的制動控制箱體與原設計相比減重達51%，減重效果明顯。

采用有限元分析軟件ABAQUS對箱體進行建模與分析。制動控制箱箱體及箱門為薄壁鈑金結構，因此采用殼單元S4R進行模擬。箱體內安裝的各模塊利用位于各模塊重心的質量點進行等效，并通過MPC約束到安裝位置上，螺栓連接采用多點耦合的rigid進行連接。整個模型共離散為89 250個單元，97 944個節點。約束前后吊梁上的6個螺栓安裝孔的所有自由度。模型所用材料屬性如表2所示，建立的有限元模型如圖1所示。

表1 不同材料箱體設計明細

圖1 制動控制箱有限元模型

材料密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa泊松比屈服應力/MPa5083鋁合金2.66×10369 0000.33142Q345E7.85×103210 0000.3345

2 結果分析

2.1 模態分析

利用ABAQUS求解器進行求解，分別提取碳鋼和鋁合金制動控制箱的前6階模態，其各階固有頻率如表3所示，由于鋁合金的彈性模量(69 GPa)遠小于碳鋼(210 GPa)因此鋁合金箱體需要通過增加厚度對剛度進行補償。計算表明通過厚度補償的鋁合金箱體的各階固有頻率均小于碳鋼箱體，其中一階固有頻率降幅為15.8%，3階固有頻率值降幅最大達到36.8%。但均避開了隨機振動試驗的高能量振動頻率范圍(5～20 Hz)滿足其設計要求。

表3 不同材料制動控制箱固有頻率

圖2 制動控制箱有固有頻率及偏差

表4為不同材料制動控制箱體各階振型，其中鋁合金箱體的1階和2階的振型分別為大小風缸的振動，因此該結構剛性較差的區域為風缸的綁帶及支架。而鋁合金箱體的3階振型與碳鋼箱體的1階振型基本相同，且頻率也較為接近，這表明鋁合金箱體的框架的剛度基本達到碳鋼箱體框架剛度水平。

表4不同材料制動控制箱各階振型

2.2 靜強度及沖擊強度分析

靜強度分析是指分析箱體在所有外掛模塊及自身質量作用下的，箱體的靜強度狀態。沖擊強度分析是指箱體及所有外掛模塊在x,y,z3個方向承受不同的組合載荷的抗沖擊能力。沖擊載荷按照EN 12663《鐵道應用—軌道車身的結構要求》進行，沖擊載荷見表5，沖擊載荷的組合工況見表6。

表5 沖擊載荷 g

表6 沖擊載荷組合工況 g

由于箱體處于車體中部，參照EN 12663標準c取0.5。

制動控制箱體的靜強度分析的結果如圖3所示，制動控制箱整體的最大應力值為15.4 MPa，位于大風缸支架與箱體接觸的區域，取安全系數為1.5，最大應力小于σs/1.5，滿足設計要求。

抗沖擊強度的分析結果見表7，其中組合工況1的最大應力值最大，最大應力為44.6 MPa，安全系數為3.1，除ax=g工況外其余工況的應力最大點的位置均位于風缸支架與箱體焊接區域如圖4所示。當ax=g工況時，應力最大點位于分配閥模塊連接螺栓孔周邊處，如圖5所示，應力最大值為33.5 MPa，安全系數為4.2。計算結果表明箱體的抗沖擊強度具有較大的裕度。

圖3 靜強度應力云圖

工況載荷類型最大應力部位最大應力/MPa屈服應力/MPa安全系數1縱向3g風缸固定焊接處29.71424.72橫向1g分配閥模塊連接螺栓孔周邊處33.51424.23垂向1.5g風缸固定焊接處23.11426.1組合工況1風缸固定焊接處44.61423.1工況2風缸固定焊接處43.41423.2工況3風缸固定焊接處37.31423.8工況4風缸固定焊接處44.41423.1

圖4 工況1的應力云圖

圖5 橫向沖擊1g時的應力云圖

2.3 疲勞強度分析

按照EN 12663標準，考核疲勞載荷的標準是使箱體承受縱向載荷ax=±0.15g,橫向載荷ay=±0.15g,垂向載荷az=-1±0.15g。在組合載荷情況下當ax=0.15g，ay=0.15g，az=-1.14g時，箱體的最大應力水平最大，其應力云圖如圖6所示，其應力最大處位于風缸支架與箱體的焊接區域，最大應力值為16 MPa。根據IIW《焊接接頭與補件的疲勞設計方法》鋁合金單邊焊T型接頭疲勞許用應力為22 MPa，鋁板母材疲勞許用應力為71 MPa。因此該制動控制箱滿足疲勞強度的要求。

圖6 應力最大工況組合應力云圖

3 結 論

(1) 與碳鋼箱體相比，采用鋁合金設計的制動控制箱減重達51%，減重效果明顯。

(2) 通過模態分析表明，通過厚度補償的鋁合金箱體的各階固有頻率均小于碳鋼箱體，其中1階固有頻率降幅為15.8%，3階固有頻率值降幅最大達到36.8%，但其固有頻率數值均大于隨機振動試驗的高能量振動的頻率范圍(5～20) Hz，滿足剛度要求。

(3) 通過強度計算表明，輕量化設計的鋁合金箱體結構在自重和沖擊載荷的條件下其應力水平值遠小于材料的許用應力值，因此箱體具有較高的靜強度儲備滿足設計要求。

(4) 計算結果表明輕量化設計的鋁合金箱體結構在運營載荷的情況下，其最大應力值為16 MPa，小于材料的許用疲勞應力，滿足疲勞強度要求。