電力機車無火回送電源柜的設計與分析

□ 衛 玉 □ 程有平 □ 張宏霞

太原暢通致遠鐵路機車車輛電子有限公司 太原 030027

無火回送,指機車運行到規定里程后,需要無動力回送至機車廠大修。無火回送時,機車按規定應附掛在貨物列車中運行,到達目的地,內燃機車不啟動柴油機,電力機車不升弓,這樣,司乘人員的生活用電得不到保障。對此,設計了電力機車無火回送電源柜,安裝在電力機車上,可以解決司乘人員的生活用電問題[1]。

筆者對所設計的電力機車無火回送電源柜總體結構進行介紹,并建立有限元模型,根據國家標準GB/T 21563—2018《軌道交通 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》中的相關要求,進行靜強度分析。

1 總體結構

電力機車無火回送電源柜由儲能柜、前置柜、底座三部分組成,三維模型如圖1所示,總體結構如圖2所示,內部模塊布置如圖3所示。

圖1 電力機車無火回送電源柜三維模型

圖2 電力機車無火回送電源柜總體結構

圖3 電力機車無火回送電源柜內部模塊布置

儲能柜骨架由尺寸為40 mm×40 mm×3 mm和30 mm×30 mm×3 mm的方鋼焊接而成。儲能柜骨架焊接后,分為四層,每層可以放置兩個模塊,共放置B模塊、S模塊、D模塊、C模塊、鋰電池箱,以及三個電容箱。每個模塊的底座后梁由兩個定位銷定位,底座前梁由兩個M8螺栓固定。模塊可順著安裝架的不銹鋼導軌插入和抽出。儲能柜柜體前后面板均設置有百葉窗。

前置柜由1.5 mm厚優質冷軋鋼板拼焊而成,柜體內部放置空氣開關組件、E模塊和電源隔離組件。

底座根據機車內部的導軌尺寸進行設計,使用60 mm×60 mm×5 mm方鋼焊接而成。底座孔位精準,便于安裝固定在機車上[2-3]。

電力機車無火回送電源柜不包含底座的尺寸為1 050 mm×1 001 mm×1 440 mm,儲能柜質量約為450 kg,前置柜質量約為80 kg。

2 有限元建模

對于復雜的機械結構問題,通過材料力學計算很難得到準確的結果,甚至得不到結果,此時需要通過有限元方法求解力學問題。有限元方法基于離散逼近的基本策略,可以采用較多數量的簡單函數組合來近似代替非常復雜的原函數。

在設計階段,通過仿真軟件對電力機車無火回送電源柜模型進行靜強度分析,可以有效發現結構設計中的缺陷,避免在樣機試制環節出現結構問題。

筆者主要針對儲能柜進行靜強度分析,主體結構使用Q235A鋼。根據GB/T 21563—2018中的I類A級車體安裝沖擊試驗條件,慣性加速度Y向、Z向取30 m/s2,X向取50 m/s2。

劃分網格前,先簡化模型。因為三維模型結構比較復雜,直接對三維模型進行分析會造成計算機計算量過大,導致分析失敗。模型簡化的目的是去除一些不影響分析結構的零件和特征。本次分析中去除的零件包括儲能柜前后面板、扎線桿、散熱罩、散熱板、圓螺母。網格劃分后儲能柜有限元模型如圖4所示。

圖4 網格劃分后儲能柜有限元模型

固定約束設置為四個安裝腳座的長圓孔內表面,加載柜體的重力加速度。將單元模塊的質量轉換為同等的力,均布施加在模塊安裝架的橫梁表面上。分別施加各個方向的慣性加速度。按照GB/T 21563—2018中的I類A級車體安裝沖擊試驗條件,考慮儲能柜本身的質量及機車啟動時的牽引和緊急制動,柜體在機車運行時受到Y向、Z向、X向沖擊及振動影響,確定五種極限工況[4]。

第一種極限工況為柜體重力+負Y向慣性力。軌道的高低不平會引起機車Y向的振動,第一種極限工況考慮的是儲能柜自身的重力與Y向慣性力的耦合[5]。由儲能柜內八個模塊的質量可以計算出各個模塊的重力,進而計算出施加在安裝架橫梁上的均布力。儲能柜安裝架均布力如圖5所示,負Y向慣性加速度的方向與重力方向一致。

圖5 儲能柜安裝架均布力

在仿真界面加載儲能柜自身重力加速度和負Y向慣性加速度30 m/s2,進行求解。

第二種極限工況為柜體重力+負Z向慣性力,第三種極限工況為柜體重力+Z向慣性力。

機車通過道岔、曲線,機車本身具有蛇形運動趨勢,加之軌道水平不平,會產生Z向振動,這樣儲能柜就會受到沖擊。第二種和第三種極限工況基于以上情形,是儲能柜自身重力與Z向慣性力的耦合。

第二種和第三種極限工況下,計算機已記憶安裝架分布力,只需在仿真操作界面中輸入負Z向和Z向慣性加速度30 m/s2,就可以進行求解。

第四種極限工況為柜體重力+負X向慣性力,第五種極限工況為柜體重力+X向慣性力。

第四種和第五種極限工況分別考慮的是機車緊急制動與機車啟動時牽引,在仿真操作界面中只需輸入負X向和X向慣性加速度50 m/s2,就可以進行求解。

3 靜強度分析結果

第一、第二、第三種極限工況下儲能柜靜強度分析結果依次如圖6、圖7、圖8所示,第四種極限工況下儲能柜應力云圖如圖9所示。

圖6 第一種極限工況儲能柜靜強度分析結果

圖8 第三種工況儲能柜靜強度分析結果

由圖9可以看出,在第四種極限工況下,儲能柜右側下端加強筋的應力值達到283.14 MPa,超過了材料Q235A鋼的屈服極限(235 MPa),需要對加強筋的結構進行改進。

圖9 第四種極限工況儲能柜應力云圖

原加強筋的尺寸如圖10所示,改進后加強筋的尺寸如圖11所示。所用材料仍為Q235A鋼,厚度為6 mm。原加強筋的形狀會產生不良力線傳遞,尖角處容易引起應力集中。改進后,加強筋去除尖角,增加弧度,根據材料力學理論,可以避免產生應力集中現象[6-7]。改進后進行第四種和第五種極限工況下儲能柜靜強度分析,結果分別如圖12、圖13所示。

圖10 原加強筋尺寸

圖11 改進后加強筋尺寸

圖12 改進后第四種極限工況儲能柜靜強度分析結果

圖13 改進后第五種極限工況儲能柜靜強度分析結果

儲能柜在五種極限工況下的靜強度分析結果見表1,其中第一、第二、第三種極限工況為加強筋改進前分析結果,第四、第五種極限工況為加強筋改進后分析結果。鑒于加強筋改進前第一、第二、第三種極限工況分析結果已滿足標準要求,加強筋改進后不再進行第一、第二、第三種極限工況下的靜強度分析。

表1 儲能柜靜強度分析結果

加強筋改進后,儲能柜在五種極限工況下材料的最大應力值均小于Q235A鋼的屈服極限(235 MPa),最大變形量均非常小,可以忽略不計。由此可見,儲能柜的強度和剛度都滿足GB/T 21563—2018的相關要求。

4 結束語

對所設計的電力機車無火回送電源柜進行了實地起吊裝車試驗,設備運行情況良好。

筆者在有限元分析過程中,將模塊的質量轉換為同等的力,均布施加在安裝架上,相對于確定模塊質心及其它方法,更方便且易于操作[8-10]。當然,筆者只對儲能柜進行了靜強度分析,后續可以進一步分析前置柜、底座的靜強度,以及電力機車無火回送電源柜整機的散熱問題。