整體承載式車上水箱的分析與驗證

姜鴻鵬 魏凌 梁君海

整體承載式車上水箱的分析與驗證

姜鴻鵬 魏凌 梁君海

簡述動車組整體承載式車上水箱供水裝置的組成，通過建模及仿真分析，對既有水箱結構進行優化設計，并對優化后的水箱裝置進行各項功能性試驗，論證了整體承載式車上水箱供水裝置滿足使用要求。

動車組；水箱；供水；強度；試驗；分析

時速200～250 km臥鋪動車組設置了車上水箱，由于車體斷面低，車頂可利用高度很小，要求容積大（800 L），加之高速動車輕量化要求，水箱采用了鋁合金材質、低斷面、整體承載結構和特殊的注溢水裝置，設置了供水箱。為確保系統可靠性并整體優化結構，進行了模型分析計算。為驗證設計方案及計算結果，進行了試制、試驗。試制過程順利，試驗結果各項指標都達到了設計預期目標。

1 水箱結構

由于車內平頂板以上可利用高度空間有限，水箱要求容積大，采用的低斷面、大面積結構，內部防波板兼作水箱骨架（加強梁），整體承載，省去水箱梁，充分利用高度空間；采用特殊的注溢水結構。水箱主要由底板、頂板、防波板、供水箱、液位傳感器安裝座、注溢水裝置及管路等組成（見圖1）。

水箱主要參數如下。

外形：2 000 mm×2 200 mm×220 mm（+30 mm注溢水裝置）；

質量：215 kg；

容水：靜態≤800 L，最大常規自動加速度（1．12 m/s2）時≥730 L。

主要難點及解決措施：

（1）針對水箱強度、剛度問題，采用內部防波板兼作水箱骨架（加強梁），整體承載，省去水箱梁，充分利用高度空間解決。

（2）針對低斷面大面積及供水可靠性問題，采用局部低于水箱平面的供水箱（容積約20 L），水先匯入供水箱，由供水箱向外供水，提高供水可靠性。

（3）針對注溢水對容積的影響，采用特殊的注溢水裝置，僅占用很小部分保溫材空間，保證水箱空間利用率。

2 可靠性分析項點及方法

為驗證水箱可靠性，采用的方法及流程如下：建模通過有限元分析，優化水箱結構及安裝強度；驗證鋁合金水箱對容水水質的影響；進行保壓試驗及注溢水配套試驗；進行沖擊振動試驗。

圖1 整體承載式水箱組成

3 計算分析及優化

為驗證水箱設計結構的可靠性及優化結構，進行了模型分析，通過模型分析、方案改進，最后得到了比較理想的結構，優化后應力分布見圖2。

分析優化過程：對原設計模型分析→找出應力集中點（超出材料屈服應力處）→修改模型增加防波板→應力小于材料屈服應力→根據應力分布調整防波板開口→應力分布均勻，優化后最大應力大大降低。

通過計算得出了應力分布情況，根據應力分布對設計進行了優化，得到了合理結構；計算結果證明各項參數都能滿足使用和試驗要求。此外，針對共振問題進行了模態分析，不考慮車體及水箱梁剛度條件下，空水箱固有頻率為96 Hz，滿水箱固有頻率為40．7 Hz。

圖2 理想結構水箱應力分布

4 試制及試驗驗證

4.1 鋁合金水箱對水質的影響

就鋁合金水箱是否會對飲用水形成二次污染問題，查閱了相關標準并對專業人員進行了咨詢，標準僅規定了鋁離子含量的限值，無試驗辦法，無法按標準進行試驗。為確保鋁合金水箱滿足衛生要求，采用模擬現車水箱運用狀況，做浸泡、檢測試驗，檢測金屬鋁離子增量是否符合飲用水標準，以此確定是否采用鋁合金作為水箱材質。GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》中，化學指標增加了鋁含量限值0．2 mg/L；GB/T 17219—1998《生活飲用水輸配水設備及防護材料的安全性評價標準》3．1條中規定“凡與飲用水接觸的輸配水設備和防護材料不得污染水質，管網末梢水水質必須符合GB 5749的要求”，但本標準未對金屬鋁含量及其檢驗方法作出明確規定。

為確保鋁合金水箱滿足衛生要求，模擬現車水箱運用狀況，參照標準GB/T 17219—1998制備浸泡液；根據GB/T 5750．6—2006《生活飲用水標準檢驗方法 金屬指標》做浸泡液中金屬鋁增量的測定。

試驗如下：取容器A（鋁合金材質，按現車水箱等比例縮放，容器接觸浸泡液面積與容器內浸泡液體積比值等同現車水箱容水情況）和容器B（材質不污染水質），清洗干凈，并連續沖洗30 min，然后立即注滿自來水后密封，在（25±5）℃避光條件下浸泡240 h。到時間后立即將浸泡液分別取出放入預先洗凈的樣品瓶中取樣，容器B內的水作空白對照。請有相關資質的部門根據GB/T 5750．6—2006中鋁的檢測方法測定兩浸泡液中鋁的含量，差值即為金屬鋁的增量。

試驗結果：浸泡240 h后鋁離子增量為0．198 mg/L，浸泡24 h約為0．02 mg/L，遠小于GB/T 17219—1998規定浸泡時間24 h增量不超過0．2 mg/L的要求，滿足使用要求。

4.2 保壓試驗

按TB/T 1720—1998《鐵道客車給水裝置通用技術條件》4．5．4項規定進行了98 kPa保壓試驗。

試驗方法：箱體完成后，水壓檢測即注水壓力98 kPa，在箱體外側焊縫處涂彩色粉筆，保壓5 min，觀察焊縫有無滲水現象。水箱整體完成后，氣壓檢測即在水箱完成后向水箱充氣，箱體外側涂肥皂水，觀察焊縫有無滲水現象。

試驗結果：水箱無明顯變形，無泄漏，無滲漏，符合使用要求。

4.3 注溢水及供水系統配套試驗

為了解注水對水箱的影響，驗證新結構的注溢水裝置可靠性，進行了該試驗。

試驗按現車實際管路設置了注溢水管路，用儲水管加壓縮空氣模擬0．6 MPa水壓進行注水，檢測注水時水箱內壓力情況。

試驗結果：

注水未溢水時水箱底部壓力≤5 kPa；

注水且溢水時水箱底部壓力≤20 kPa；

壓縮空氣進水箱時水箱底部壓力≤80 kPa。

供水配套及容積試驗結果表明：供水壓力穩定，流量計及液位傳感器能正常控制水泵起停，系統供水可靠。

水箱容積檢測：水箱注滿水，用水泵供水，出口接水表，測得水箱容積為798 L。

4.4 沖擊和振動試驗

由于該水箱采用了無水箱梁及內部防波板兼作骨架整體承載的新結構，無成熟經驗可借鑒，能否滿足車輛運行中振動和沖擊、能否滿足相關規定要求的振動和沖擊參數不能確定，需進行強度分析和模態分析。

4.4.1 沖擊工況強度分析

對水箱模型安裝座進行固定，滿水狀態加垂向（3g）、縱向（3g）、橫向（1g）載荷，考察水箱各部分應力情況。結果各部分最大應力均在許用應力范圍內，能滿足JIS E 4032《鐵路車輛部件—沖擊試驗方法》的規定值。

4.4.2 振動工況分析

（1）共振。針對振動試驗的共振頻率掃描試驗，進行了模態分析，計算水箱固有頻率。計算過程不考慮車體及安裝梁剛度問題，設水箱安裝座剛性固定。

計算結果：空水箱為96 Hz，滿水箱為40．7 Hz。

固有頻率高于JIS E 4031《鐵路車輛部件—振動試驗方法》規定的試驗范圍（0～30 Hz）。

（2）疲勞。正常運行時最大載荷：縱向0．25g、橫向0．15g、垂向0．2g，在沖擊工況（垂向3g、縱向3g、橫向1g）載荷下，水箱各部評價區域最大應力均小于50 MPa，估算正常運行時最大應力不大于17 MPa，遠小于材料許用值。

分析結果顯示：在規定載荷沖擊和振動工況下，水箱各部分評價區域應力均在材料許用應力范圍內，該水箱能滿足振動和沖擊要求。

5 減重

按減重要求制定了方案，由于前期對原方案進行了計算分析，試制了水箱，并進行了各項試驗，為保證改后性能，保持斷面不變，僅長度縮小。

具體改動：水箱長度由原2 180 mm改為1 750 mm；注溢水裝置移至水箱縱向中部，以增大有效容積；減少1個橫向防波板，并調整其他方波板間距；安裝座由10個改為8個。

改動后參數對比見表1。

6 結束語

綜上所述，整體承載式車上水箱材質能滿足輸配水設備要求，耐沖擊振動性能滿足沖擊振動標準，有較高的可靠性，能滿足使用要求。

表1 減重方案實施參數對比

[1] 李舒宏．新型進水口結構對儲能水箱釋能性能的影響[J]．中南大學學報（自然科學版），2012，43(10)：4068-4074．

[2] 董偉力，胡震，陳秀芳，等．基于ANSYS的出口伊朗座車水箱吊裝結構強度分析[J]．鐵道機車車輛，2013，33(3)：52-55．

[3] 李明高，趙文平，高峰．基于ANSYS Workbench的動車組水箱吊裝結構強度分析[J]．大連交通大學學報，2012，33(5)：38-40．

姜鴻鵬：南車青島四方機車車輛股份有限公司，工程師，?山東?青島，266111

魏 凌：南車青島四方機車車輛股份有限公司，高級工程?師，山東?青島，266111

梁君海：南車青島四方機車車輛股份有限公司，教授級高?級工程師，山東?青島，266111

責任編輯王五昌

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1672-061X（2014）04-0037-03