匈牙利調(diào)車機(jī)車蓄電池柜結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉家奇，袁新輝

(中車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

匈牙利調(diào)車機(jī)車是株機(jī)公司為奧地利國鐵旗下子公司匈牙利貨運(yùn)鐵路公司(RCH)打造的電-電雙源制調(diào)車機(jī)車，也是株機(jī)公司首個面向歐洲市場的干線調(diào)車機(jī)車。該新型調(diào)車機(jī)車將進(jìn)一步豐富株機(jī)公司歐洲調(diào)車機(jī)車譜系，有力推動歐洲調(diào)車機(jī)車平臺化建設(shè)。在進(jìn)行屏柜部分的設(shè)計、制造和試驗等程序時，應(yīng)符合以下規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)：匈牙利法律法規(guī)、歐洲鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范(TSI)、歐盟標(biāo)準(zhǔn)(EN)、國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)(IEC)、國際標(biāo)準(zhǔn)組織標(biāo)準(zhǔn)(ISO)、國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)(UIC)、德國標(biāo)準(zhǔn)(DIN)。

通過調(diào)研分析，面向國內(nèi)市場的蓄電池箱不適用于匈牙利市場的要求。因此，需要對蓄電池箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，以符合歐洲市場的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

1 蓄電池柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目采用的某品牌型號為FNC 100MR2的鎳鎘堿性蓄電池，單體重量為4.15 kg，數(shù)量為80只。其分布如圖1所示，分上下2層，每層布置40節(jié)蓄電池，重量為166 kg。屏柜的設(shè)計原則是在保證安全的前提下盡量方便檢修維護(hù)。如圖2所示，蓄電池柜采用雙開門結(jié)構(gòu)，柜門打開時不應(yīng)與機(jī)械間內(nèi)其他設(shè)備干涉，且應(yīng)方便蓄電池斗拉出檢修。如圖3所示，蓄電池斗四周采用鏤空結(jié)構(gòu)，以方便散熱及減輕重量，蓄電池斗的底部設(shè)有加強(qiáng)筋，上部采用折彎結(jié)構(gòu)，以提高蓄電池斗的強(qiáng)度。為了適應(yīng)歐洲市場，蓄電池斗通過導(dǎo)軌固定于蓄電池柜骨架上，上下2層均可拖出進(jìn)行檢修維護(hù)。

圖1 蓄電池布置示意圖

圖2 蓄電池柜

圖3 蓄電池柜內(nèi)部

2 蓄電池柜仿真分析

如圖2所示，蓄電池柜骨架主要由3 mm方形/矩形無縫鋼管及1.5 mm板材組成，材料主要選用EN 10210-2《非合金結(jié)構(gòu)鋼和晶粒結(jié)構(gòu)鋼的鋼構(gòu)件用熱成型空心型件 第1部分：交貨技術(shù)條件》的355NLH，安裝座及起吊座材料選用EN 10025-3《結(jié)構(gòu)鋼熱軋制品.正火/正火熱機(jī)軋制的可焊接細(xì)粒結(jié)構(gòu)鋼的交貨技術(shù)條件》的S355NL；蓄電池斗材料選用EN 10088-2《不銹鋼-第二部分：通用耐腐蝕鋼的薄鋼板/鋼板和帶鋼的技術(shù)交貨條件》的3冷軋不銹鋼板X5CrNi18-10-1.4301。本次仿真按EN 12663-1《鐵路應(yīng)用-鐵路車身的結(jié)構(gòu)要求》和ERRI B12/RP17(國際鐵路聯(lián)盟試驗研究中心的研究報告)規(guī)定對蓄電池柜組成進(jìn)行有限元分析。

坐標(biāo)系如圖4所示。X-軸(對應(yīng)于車體縱向軸)的正向是運(yùn)動方向，Z-軸(對應(yīng)于車體垂直軸)的正向向上，Y-軸(對應(yīng)于車體橫向軸)位于水平面上，形成了一個右手坐標(biāo)系。

蓄電池柜安裝在近車體端部，主要設(shè)備質(zhì)量分布如下：2個蓄電池斗(含蓄電池)各175 kg；外側(cè)左右門板質(zhì)量各3.5 kg。為了更好地模擬蓄電池柜的作用載荷實際受力情況，在此將蓄電池斗、外側(cè)門板等安裝設(shè)備細(xì)化為3個質(zhì)量點。

2.1 載荷工況

按標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求 第1部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛(以及貨車的一種選擇方法)》的規(guī)定:在超常載荷工況下要求蓄電池柜體能夠分別承受縱向±3 g、橫向±1 g、垂向(±c)g(圖文中垂直向上為正)，同時分別考慮柜體自重載荷，在這些慣性力的沖擊下而不出現(xiàn)塑性變形，g為重力加速度，c值在車體中部取0.5，在車體端部取2，本方案中蓄電池柜安裝在近車體端部；在運(yùn)用載荷工況下要求柜體能夠分別承受相當(dāng)于縱向±0.15 g、橫向±0.2 g、垂向(1±0.25)g的慣性力的沖擊而不出現(xiàn)疲勞破壞。

另外，蓄電池柜需要在組裝及維護(hù)中進(jìn)行起吊操作，根據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)，取其載荷為其重量的1.1倍。

故按照標(biāo)準(zhǔn)EN 12663，蓄電池柜可組合成6個靜強(qiáng)度計算工況和8個疲勞計算工況。組合后靜強(qiáng)度載荷計算工況見表1，疲勞載荷計算工況見表2。

表2 疲勞強(qiáng)度載荷計算工況 單位：g

表1 靜強(qiáng)度載荷計算工況 單位：g

2.2 材料性能及評判標(biāo)準(zhǔn)

蓄電池柜骨架制造材料選用355NLH，安裝座材料選用S355NL，蓄電池斗材料選用X5CrNi18-10-1.4301，其性能參數(shù)見表3。

表3 材料機(jī)械性能參數(shù)

按照EN 12663-1要求，要求柜體焊縫區(qū)和母材按1.15的安全系數(shù)進(jìn)行屈服校核。

疲勞強(qiáng)度根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟研究試驗委員會ERRI B 12/RP 17報告提供的方法進(jìn)行評估。由于焊接結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展方向與計算最大主應(yīng)力方向相垂直，因此，評估時首先獲得各節(jié)點在表3所列的各計算工況下的最大主應(yīng)力及其方向，再將其余各工況下的應(yīng)力向最大主應(yīng)力方向投影，并獲得循環(huán)的最小應(yīng)力。然后，將蓄電池柜及蓄電池斗各節(jié)點的應(yīng)力分布點如圖5所示的MKJ圖，以許用應(yīng)力與計算應(yīng)力的比值作為節(jié)點的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)。節(jié)點疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)大于1.00。

圖5 適用于355NLH和X5CrNi18-10-1.4301材料母材及其制造的焊接接頭的MKJ曲線

2.3 計算模型

蓄電池柜組成離散模型如圖6所示，柜體主要采用殼單元SHELL 181模擬，各質(zhì)量點用質(zhì)量單元MASS 21模擬。該模型單元長度為12，共有節(jié)點78 507個，單元77 597個，計算模型質(zhì)量521.9 kg。

圖6 蓄電池柜骨架離散模型

在蓄電池柜的邊界條件施加過程中，除了起吊工況外，約束施加在蓄電池柜底部兩側(cè)的6個安裝孔上，而起吊工況則施加在4個起吊孔上。載荷施加過程中，考慮到蓄電池柜各向運(yùn)動時力作用位置不一致，故各質(zhì)量點均以加速度形式分開施加各向沖擊。

2.4 計算結(jié)果及分析

2.4.1 靜強(qiáng)度工況

靜載荷各個計算工況下蓄電池柜及蓄電池斗上最大等效應(yīng)力及位置見表4，蓄電池柜的最大應(yīng)力為272.664 MPa，發(fā)生在骨架底部左安裝座橫向螺栓安裝孔母材，許用應(yīng)力為355 MPa；蓄電池斗的最大應(yīng)力為177.62 MPa，發(fā)生在蓄電池斗右側(cè)架螺栓安裝孔，許用應(yīng)力為230 MPa。蓄電池柜及蓄電池斗各工況強(qiáng)度安全系數(shù)大于1.15，滿足EN 12663-1要求。

表4 靜強(qiáng)度計算工況最大等效應(yīng)力及位置表

2.4.2 疲勞強(qiáng)度工況

母材與焊縫區(qū)Top面各節(jié)點最大應(yīng)力分布見圖7，材料利用率分布見圖8，材料最大利用率0.666；母材與焊縫區(qū)Bot面各節(jié)點最大應(yīng)力分布見圖9，材料利用率分布見圖10，材料最大利用率0.749。蓄電池柜及蓄電池斗在運(yùn)營工況下滿足疲勞強(qiáng)度要求。

圖7 母材與焊縫區(qū)Top面各節(jié)點最大應(yīng)力分布圖 圖8 母材與焊縫區(qū)Top面材料利用率分布圖

圖9 母材與焊縫區(qū)Bot面各節(jié)點最大應(yīng)力分布圖 圖10 母材與焊縫區(qū)Bot面材料利用率分布圖

2.4.3 模態(tài)分析

蓄電池柜組成模態(tài)分析范圍1～50 Hz，蓄電池柜組成最小頻率21.7951 Hz，各階模態(tài)計算結(jié)果見表5。

表5 蓄電池柜組成模態(tài)特性

3 結(jié)語

在對國外項目的屏柜進(jìn)行設(shè)計時，不僅需要考慮符合相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也要注意設(shè)計的屏柜結(jié)構(gòu)盡量避免專利侵權(quán)。本蓄電池柜是在避免專利侵權(quán)后對蓄電池柜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大的改動。通過仿真分析，蓄電池柜及蓄電池斗的最小安全系數(shù)為1.29，滿足EN 12663-1靜強(qiáng)度規(guī)定的1.15要求；蓄電池柜及蓄電池斗所有母材及焊縫節(jié)點的最大應(yīng)力滿足疲勞強(qiáng)度要求；蓄電池柜組成最小頻率21.795 1 Hz，滿足設(shè)計要求。