城軌車輛用輔助電源箱輕量化設計與研究

馮云明，劉亮，任遜

（南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司，南京 211800）

0 引言

隨著國內軌道交通產業迅速發展，對車輛裝備的節能、綠色、環保、高效提出更高要求。作為鐵路科技創新發展方向和重點任務之一，車輛及設備輕量化問題日益受到重視。輕量化對于車輛減重、提速、降噪、降低能源消耗及設備壽命，具有特別重要的現實意義[1]。

對設備材料進行替代優化是降低設計質量的有效手段。鋁合金的材料密度約為鋼材的1/3，同時具有高比強度、抗腐蝕性、高力學性能等優勢，該材料的替代應用對減輕車輛設備自重有利，已在成熟運用[2-3]。

輔助電源系統通過箱體集成并懸掛在車體底部，作為城軌車輛供電系統的核心設備，在供電故障時為車輛設備提供電源。因此，在實現減重目標的同時需要確保產品結構強度等可靠性設計。

1 輔助電源箱結構設計

輔助電源系統包括箱體與主電路兩部分。箱體作為整個系統的關鍵承載件與車輛連接，具有良好的結構強度、抗震性、耐腐蝕性，可以保證輔助電源系統在使用過程中的安全。為實現輕量化設計，箱體材質為鋁合金，各組成部分由不同厚度的板材焊接而成，結構形式如圖1所示。其中：蒙皮厚度為3 mm，吊耳厚度為6 mm，具體材料性能如表1所示。

表1 鋁合金箱體材料性能 MPa

圖1 輔助電源箱結構示意圖

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

輔助電源箱體為鈑金件，材料的厚度與長度和寬度相比小得多，因此在有限元建模時采用殼單元[2]。采用整體模型進行有限元網格劃分，有限元模型如圖2所示。主電路模塊作為負載使用質量點單元模擬功能模塊。對箱體頂部吊耳的4個安裝點進行約束，節點數為135 340，單元數為133 218，箱體主要采用shell單元，螺栓采用beam單元。

圖2 輔助電源箱有限元模型

2.2 靜強度分析

根據GB/T 21563標準，箱體結構在縱向5g、橫向3g、垂向3g沖擊下最大應力允許超過材料屈服強度，但不能超過材料的抗拉強度。但秉承更高的安靠可靠性理念，在箱體結構設計時用材料的屈服強度去評估箱體的可靠性。

根據GB/T 21563，確定靜強度計算工況如表2所示。表2中，g為重力加速度，取值為9.8 m/s2。

表2 靜強度計算工況

經仿真計算，各工況靜強度計算結果如表3所示。通過數據分析，最大應力小于材料的屈服強度，安全系數高，箱體具有較高的強度儲備。

表3 靜強度計算結果

2.3 疲勞強度分析

考慮到鋁合金的疲勞強度比碳鋼低，且焊接結構傳力焊縫的抗疲勞能力明顯低于構成母材，需要對鋁合金箱體的疲勞特性進行評估[4]。本文依據標準《IIW document IIW-2259-15 ex XIII-2460-13/XV-1330-03 焊接接頭和部件疲勞設計要求》中的鋁合金焊接接頭的許用疲勞強度及對應的S-N曲線，采用專業的疲勞計算軟件對輔助電源箱進行疲勞計算。軟件內集成了S-N曲線，計算過程中，軟件將自動通過S-N曲線公式推算出在規定循環次數下的許用疲勞極限。該軟件的疲勞評估方法主要依據標準EN 1993-1-9中規定的法向應力法，公式如下：

焊縫疲勞利用率:UFN=1/αN，疲勞利用率小于1即說明疲勞強度滿足設計要求。式中其余代號不作贅述。

根據EN12663，疲勞強度計算工況如表4所示。表4中，g為重力加速度，取值為9.8 m/s2。

表4 疲勞強度計算工況

經仿真計算，在各種工況作用下的疲勞計算結果歸納如表5所示。

表5 疲勞強度計算結果

通過計算結果可以得出整個箱體疲勞利用率最大值為0.285，小于0.75。根據EN 15085中關于應力等級的定義，整個輔助電源箱的應力等級為低。輔助電源箱的疲勞強度滿足設計要求。

2.4 模態分析

車輛運行過程中，因輪軌接觸及車輛自身振動引起的設備振動，會造成設備損壞甚至功能失效。通過模態分析確定輕量化設計后輔助電源箱的振動特性和固有頻率是一種有效手段。本文針對輔助電源箱計算了前20階振動模態，采用Block Lanczos模態提取方法[5]取前3階主要頻率及相應振型如圖3、表6所示。通過振型圖及表數據分析，輔助電源箱能夠滿足車輛安全運行的要求。

圖3 模態振型圖

表6 模態前三階計算結果

3 試驗驗證

為了研究并驗證輔助電源箱能夠在振動和沖擊環境下結構與性能穩定且滿足軌道交通車輛設備的壽命要求，進行了振動沖擊試驗。振動沖擊試驗按照標準GB/T 21563的Ⅰ類B級要求執行，主要試驗項點包含功能性試驗、模擬長壽命試驗和沖擊試驗，試驗安裝狀態如圖4所示。試驗過程中，各項性能參數測試正常。試驗結束后，對比試驗前后產品外觀無變化。

圖4 輔助電源箱試驗安裝狀態

4 結論

本文基于“以鋁代鋼”手段對軌道車輛用輔助電源箱進行了輕量化設計：1）輕量化設計的鋁合金箱體整體減重約15 kg，實現了輕量化的目標；2）由有限元分析結果得知，靜強度、疲勞強度及振動特性能夠滿足安全運行要求；3）經輕量化設計的輔助電源箱滿足車輛設備的沖擊振動要求，后續將持續跟蹤裝車后的運用考核驗證效果。