德鐵(DB)混合動力機車內燃機蓄電池箱設計*

呂晉曉，董四輝,闞京波

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2.中車大連機車研究所 安防事業部，遼寧 大連 116028)

0 引 言

德鐵(DB)混合動力機車由中車株洲電力機車有限公司與德國聯邦鐵路公司(DB)聯合研發，采用內燃機和鈦酸鋰動力電池雙牽引動力源模式，文中的蓄電池箱是為內燃機啟動電源提供的的一種容器。一般的，蓄電池箱用于單獨存放小容量蓄電池且安裝于車底架，強度要求不高設計較為簡單，但該機車車型布局緊湊結構相對特殊，需要在蓄電池周圍設置開關設備且安放于車廂頂部，同時大容量的蓄電池相比小容量蓄電池質量也會更大。其結構復雜的程度和電池需要的安全運行環境對該型蓄電池箱的設計有了更高的要求。筆者通過對該型蓄電池箱內的器件布置、結構設計、模型仿真、分析計算，得出相對優化的設計方案，以達到在保證產品整體功能的前提下解決各零部件易于安裝、便于檢修、輕量化和運行穩定可靠的目的。

1 內燃機蓄電池箱器件組成

內燃機蓄電池箱主要組成器件有：蓄電池箱殼體、鉛酸蓄電池單體、隔離開關、熔斷器、接觸器、線纜、五金配件。

鉛酸蓄電池型號為(Optima D31A),單體電壓12 V，低溫啟動電流為900 A,儲備容量155 min，單體重量27.2 kg，外形尺寸325×165×238(mm)。電池單體外形如圖1所示，采用兩串兩并接線方式的接線示意圖如圖2所示。

圖1 蓄電池單體外形 圖2 蓄電池接線圖

由蓄電池接線示意圖得知，4個蓄電池單體在蓄電池箱內應當呈矩陣式排列最為節省空間同時易于接線。由于隔離開關、熔斷器、接觸器體積均小于蓄電池單體，因此將各器件與電池單體布置在一個水平面可合理利用車內空間。各器件水平布置圖如圖3。

圖3 器件水平布置圖

2 結構設計

該型蓄電池箱結構為框架與鈑金焊接組合式設計[1]，相比單一框架式設計更加輕量化，較單一鈑金焊接式設計強度更高。箱體外形尺寸圖如圖4所示。

圖4 箱體外形尺寸圖

箱體材質為316不銹鋼(0Cr17Ni12Mo2)，結構主要組成部分有：底部安裝托架、主機殼、通風窗、上頂蓋、電池固定架。底部安裝托架位于蓄電池箱底部，通過4個螺栓固定點將整個蓄電池箱固定在車體內提供的托舉式安裝位上。如圖5所示。

圖5 主機殼與底部安裝托架 圖6 蓄電池艙與開關艙

主機殼為鈑金折彎件分為蓄電池艙和開關艙兩個獨立部分，其目的是解決鉛酸蓄電池充電時產生的氫氣遇明火發生爆炸問題。主機殼整體焊接在底部安裝托架上，內部提供了各元器件的安裝點，頂部四角外邊沿安裝有吊環供蓄電池箱安裝、運輸以及檢修用。電池固定架通過栓接固定在主機殼內蓄電池限位槽的兩側，通過提供一定的下壓力使電池在箱內不產生相對位移，避免電池磕碰引發事故。如圖6所示。

主機殼四周設有通風窗，通風窗與主機殼栓接，在能夠防止一定箱外物體侵入的前提下為箱內提供流動空氣。主機殼頂部設有頂蓋，頂蓋通過四周設置的壓緊鎖固定在主機殼頂部的門框上，檢修和安裝時上頂蓋可完整拆卸下來以提供充足的作業空間。如圖7所示。

圖7 主機殼通風窗與上頂蓋 圖8 簡化后的箱體模型

3 仿真分析

仿真分析運用SolidWorks Simulation仿真平臺對蓄電池箱整體鋼結構的靜態應力和耐疲勞程度進行仿真檢驗[2]，檢驗設計是否達到預期目標，為原設計進行優化提供理論依據。仿真之前進行箱體模型簡易化，為減小仿真軟件解算器負擔，應當將不會影響箱體強度的零部件拆除，如側部通風窗、頂部門板、門鎖、扣手、電池組、隔離開關、熔斷器、接觸器、箱內緊固件。簡化后的箱體模型如圖8。

在簡化后的模型上進行網格化，網格化后的效果如圖9 所示。

圖9 網格化仿真模型 圖10 靜態載荷設置

3.1 靜態載荷

蓄電池箱靜態載荷產生于其內部的元器件自身質量，具體包括：4個蓄電池單體、1個隔離開關、1個熔斷器、1個接觸器、若干長度線纜、若干緊固件。在機車靜止或勻速直線運動的時間段內，蓄電池箱受到的載荷僅為上述元器件的自重，可能引發箱體結構發生形變的外力即為各元器件重力的合力。

在網格化后的模型上設定約束條件和靜態載荷，為保證仿真結果接近實際情況，該約束條件應當與蓄電池箱在機車上的固定方式完全一致，位置在箱體底部安裝托架上的四個螺紋孔以及相關梁式結構表面，約束條件方向以箱體底面為基準平面豎直向上。通過計算，箱內器件總質量為120 kg ,取2.5倍設計余量得計算總質量M1=120·2.5=300 kg，由公式G=mg,g=9.8 N/kg 得G=M1·g=2 940 N。故箱體的靜態載荷為2 940 N。靜態載荷的方向為以底部安裝托架上表面為基準平面垂直向下并設置靜態載荷大小為均勻分布于底部安裝托架上表面，約束條件和靜態載荷效果如圖10所示。

約束條件和靜態載荷設定完畢后進行靜應力仿真，仿真結束后得出靜應力色譜圖如圖11，位移色譜圖如圖12。

圖11 靜應力色譜圖解

圖12 位移色譜圖解

根據圖11靜應力色譜圖可知最大應力發生在箱體底部安裝托架中心位置，應力大小為16 MPa。

根據材料性能，屈服強度為310 MPa，靜應力大小遠小于母材的屈服強度。根據圖12位移色譜圖可知最大位移發生在電池安裝側的箱體端面，位移大小為0.07 mm，同時根據色譜圖冷暖顏色漸變過程得知最大形變發生在豎直方向上，由此可得形變百分比D=0.07/350=0.2‰ 。

3.2 動態載荷

蓄電池箱動態載荷[2-3]分為兩大部分：第一部分為縱向載荷，第二部分為橫向載荷。

縱向載荷的產生原因為機車在加速、減速過程中對蓄電池箱體產生的沖擊力，該力的大小取決于加減速的起始速度、結束速度以及時間段的長短，方向為機車前進或后退的方向。現以機車空載在直線且零坡度線路條件下的減速制動工況計算蓄電池箱縱向載荷，該型機車設計運行時速80 km/h,假定機車在80 km/h運行時刻開始制動，制動距離取極限距離40 m內，在此情況下有如下分析：

設初速度為:V0=80 km/h，Vt=0，S=40 m

由2as=Vt2-V02得：

a=(Vt2-V02)/2s≈-6.17 m/s2

箱內器件總質量為120 kg ,取2.5倍設計余量得計算總質量M1=120×2.5=300(kg)，又由公式F=Ma得FZ=300×6.17=1 851N,因此得到機車在制動過程中對蓄電池箱產生的縱向作用力為1 851 N，方向為機車后退方向。

由于除載荷類型發生變化外，蓄電池箱無其他元素變化，所以縱向載荷的仿真模型與靜態載荷仿真模型相同。對模型進行網格化后施加外部約束條件和縱向載荷，約束條件與蓄電池箱實際固定位置一致，在箱體底部安裝托架上的四個螺紋孔以及相關梁式結構表面，縱向載荷方向為機車后退方向，作用面為底部安裝托架的窄邊豎直面，大小為1 851 N。設置結果如圖13所示。

圖13 縱向載荷設置

約束條件和動態縱向載荷設定完畢后進行應力仿真，仿真結束后得出應力色譜圖如圖14，位移色譜圖如圖15。

圖14 縱向載荷應力色譜圖解

圖15 縱向載荷位移色譜圖解

由縱向載荷應力色譜圖可知，最大應力發生在蓄電池箱體底部安裝托架的隔離開關安裝梁上，大小為14 MPa,根據材料性能，屈服強度為310 MPa,最大應力小于母材屈服強度。由縱向載荷位移色譜圖可知箱體內鋼結構最大位移形變發生在接觸器固定處的橫梁中心，位移大小為0.02 mm，方向垂直于蓄電池箱底板豎直向上。由此得形變百分比D=0.02/995.5=0.02‰。

當機車加速時會對蓄電池箱體產生縱向沖擊力，假定機車仍然空載在直線且零坡度的線路條件下進行加速工況，那么除蓄電池箱受到的沖擊力方向較制動減速工況時改為與機車運行方向一致外，該力的作用位置仍為蓄電池箱的底部安裝托架，同時考慮到機車功率有限和機車自重較大，即使在機車空載情況下機車很難在加速距離為40 m的條件下從靜止加速到時速80 km/h。換言之，若使空載機車從靜止加速至設計時速80 km/h，所需要的加速距離將必然大于40 m。由于加速距離的加長，在機車功率和其他外部條件不變的情況下，機車的加速耗時也會增加，那么其內部的蓄電池箱將會受到較上述制動工況更小的沖擊力。由此推論可得，在上述制動工況下的蓄電池箱縱向載荷仿真結果可說明其結構在加速工況下的縱向載荷影響同樣是符合標準要求的。

橫向載荷是機車在通過不同橫斷面的線路時遭遇的不同離心力所導致，不同的機車運行時速和不同的線路情況會產生不同的離心力，但力的方向始終是垂直于機車運行方向。由于目前尚未掌握該型機車的運行區間信息，因此對于線路情況的變化就沒有依據，運用極限條件來仿真橫向載荷不可行。但從以下幾點可大致判斷出橫向載荷的取值區間，第一，根據機車運行規范，在通過曲線線路時應當進行減速，因此機車及其零部件將會受到很小的離心力。第二，在分析縱向負荷時選取的極限條件較為苛刻嚴格，很難發生在橫向上。因此若運用縱向載荷的數值來評判橫向載荷的影響是超標的且留有很大設計余量，換言之如果將縱向載荷的大小作用在橫向載荷的方向上，蓄電池箱的結構能滿足技術要求，那么在實際情況下箱體是能夠承受住橫向載荷的。

仿真模型不變，網格化后進行橫向載荷和約束條件設置。約束條件仍為蓄電池箱固定位，設橫向載荷的大小為1 851 N，方向垂直于機車運行方向，作用面為蓄電池箱底部安裝托架的寬邊豎直面，具體設置如圖16所示。

圖16 橫向載荷設置

仿真結束后得出應力色譜圖如圖17，位移色譜圖如圖18。

圖17 橫向載荷應力色譜圖解

圖18 橫向載荷位移色譜圖解

由橫向載荷應力色譜圖可知最大應力發生在蓄電池安裝側的托架鋼梁中間位置，大小為30 MPa,根據材料特性，木材最大屈服強度為310 MPa，最大應力小于母材屈服強度。根據橫向載荷位移色譜圖可知最大位移發生在蓄電池安裝側的托架鋼梁中間位置，大小為0.06 mm，方向垂直于機車運行方向。由此得變形百分比D=0.06/475.4=0.1‰。

3.3 疲勞分析

基于以上仿真結果新建疲勞分析任務，首先定義S-N曲線，如圖19。運行疲勞仿真任務后得到仿真結果如圖20～22所示。

圖19 定義疲勞S-N曲線

圖20 生命色譜圖解 圖21 損壞色譜圖解

由圖20生命色譜圖解可知蓄電池箱體經過1 000 000次振動后將出現疲勞，由圖21損壞色譜圖解可知經過整個事件后箱體將會出現0.1%的損壞，由圖22載荷因子圖解可以看出經過事件后的最小安全系數為13，該數值大于最小安全系數1.0。

圖22 載荷因子圖解

4 安全防護設計

4.1 不銹鋼外殼

蓄電池箱外殼整體采用316不銹鋼(0Cr17Ni12Mo2)鈑金焊接而成，該材料良好的耐腐蝕性和耐高溫性保證了其在內燃機機械間高溫、油污、粉塵惡劣條件下能夠為蓄電池創造良好的儲存和工作環境[4]。同時在焊接后的成品表面還涂有絕緣介質保證箱體的整體絕緣性能保障蓄電池系統的安全可靠運行。

4.2 隔離艙室

考慮到鉛酸蓄電池在充電過程中會產生氫氣，而氫氣是可燃氣體，在氣體濃度達到4.0%～75.6%之間時，遇火源就會爆炸，所以電池箱的設計需要考慮有效的通風和隔離可能產生明火的設備。蓄電池箱內有可能產生明火的設備有蓄電池端子、隔離開關和接觸器，蓄電池端子因無法與電池單體隔離故采用銅制環形帶鎖止件的線端端子來提供電連接，這樣可以避免端子虛接而產生的拉弧現象保證電池運行安全。隔離開關和接觸器作為明火的產生源應當與蓄電池分離開來，整個箱體被分為蓄電池艙和開關艙，兩個艙體相互獨立沒有風道連接和過線裝置，保證蓄電池釋放的氫氣不會擴散到開關艙內。為進一步減少氫氣爆燃可能，根據EN50272-2標準，計算蓄電池箱內氫氣低于4.0%的爆燃下限濃度時的空氣流通率[5]：

Q=0.05·n×C4×Igas×10-3(m3/h)

其中n=電池數量；C4=電池容量；Igas=5 mA/Ah

有Q=0.05×4×300×5×10-3=0.3 m3/h

最小開孔面積A=28×Q=8.4 (cm2)

蓄電池艙單側的百葉窗開孔面積S=25×0.9×20=450 (cm2)，經過計算得出實際通風面積大于最小開孔面積，箱體側部通風窗可以保證蓄電池在充電時釋放的氫氣得到及時疏散以保證不發生爆燃。

5 結 語

對德國(DB)混動機車的關鍵部件內燃機蓄電池箱從元器件布置、箱體結構形式、箱體材料選擇、安全防護以及通風散熱和排放有害氣體方面進行了詳細介紹，并且對箱體結構進行了仿真分析計算。結果表明蓄電池箱體設計強度可承受來自箱體內部電池模塊和其他元器件產生的自負荷和綜合運行環境所產生的外部載荷且在疲勞狀態下不發生有害形變，箱體結構和通風設計可有效改善電池運行環境保障電池運行安全，此設計一方面可有效延長蓄電池的壽命提高產品運行可靠性，另一方面也為為今后機車儲能設備設計提供了參考和經驗。