地鐵車輛統(tǒng)型結(jié)構(gòu)低壓箱研究

梁藝凡 時(shí) 蒙 陳 志 楊 凡 莊政杰

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)部，210031，南京//第一作者，工程師)

低壓箱是地鐵車輛底架吊掛件設(shè)備，為車輛的中低壓系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行供電和控制，是地鐵車輛供電系統(tǒng)中重要的配電設(shè)備[1]。在地鐵車輛的設(shè)計(jì)周期中，低壓箱設(shè)計(jì)屬于后期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，常會(huì)由于項(xiàng)目前期的變動(dòng)和不確定因素而出現(xiàn)設(shè)計(jì)工期壓縮、工作量大的情況。

目前地鐵車輛按車體寬度主要分為A型車、B型車及C型車。不同車型車輛的主要系統(tǒng)功能和底架結(jié)構(gòu)都相似，對(duì)大型底架吊掛件設(shè)備的排布影響不大。不同項(xiàng)目的低壓箱結(jié)構(gòu)相似，其內(nèi)部元器件設(shè)備的類型也相似。這些都有利于低壓箱箱體進(jìn)行統(tǒng)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

統(tǒng)型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和精力，且在設(shè)計(jì)初期即可為其他部位的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，便于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃并縮短整體設(shè)計(jì)周期。

1 統(tǒng)型結(jié)構(gòu)低壓箱設(shè)計(jì)

為了保證低壓箱統(tǒng)型結(jié)構(gòu)的通用性，設(shè)計(jì)借鑒了傳統(tǒng)的箱體結(jié)構(gòu)，并參照了箱體內(nèi)部元器件類型最全、數(shù)量最多的方案，既使統(tǒng)型結(jié)構(gòu)的低壓箱容量能滿足絕大多數(shù)項(xiàng)目的元器件安裝需求，又能使其外形尺寸滿足底架設(shè)備安裝的空間要求。本文采用CATIA V5軟件進(jìn)行箱體框架的三維搭建、設(shè)備裝配及線纜敷設(shè)。通過軟件模擬，直觀地表達(dá)出了箱體空間結(jié)構(gòu)，不僅能對(duì)有干涉、有問題的地方進(jìn)行調(diào)整改善，還為后期強(qiáng)度分析提供了網(wǎng)絡(luò)建模依據(jù)。

1.1 低壓箱箱體框架設(shè)計(jì)

1.1.1 結(jié)構(gòu)形式

低壓箱的框架結(jié)構(gòu)需滿足以下要求：

(1) 箱體空間能滿足設(shè)備的合理安裝及布線，箱體結(jié)構(gòu)需便于設(shè)備的維護(hù)和更換。

(2) 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足輕量化要求[2]。

(3) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，箱體的強(qiáng)度、剛度須滿足IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)中1級(jí)A類車體安裝設(shè)備的沖擊振動(dòng)試驗(yàn)等級(jí)要求[3]；其密封性需滿足IEC 60529標(biāo)準(zhǔn)中IP 65等級(jí)的試驗(yàn)要求。

鑒于以上要求，低壓箱框架設(shè)計(jì)采用了“骨架+蒙皮”的形式，可在滿足強(qiáng)度要求的情況下增加空間利用率，降低整體重量。蒙皮采用鈑金件折彎的形式，可增加強(qiáng)度，并避免多條焊縫在同一點(diǎn)匯集；為防止蒙皮產(chǎn)生振動(dòng)而誘發(fā)與車輛的共振，增加了蒙皮的固定點(diǎn)；在箱體關(guān)鍵部位，使用加強(qiáng)筋以增強(qiáng)箱體強(qiáng)度。在箱體焊接時(shí)，根據(jù)不同材料使用相應(yīng)的焊接形式[4]，并合理定義箱體的平面度，以滿足箱體安裝公差要求及美觀性要求。

為充分利用箱體空間，元器件的排布采用一側(cè)進(jìn)線方式(預(yù)留足夠的布線空間)，將元器件按照不同類型分區(qū)域排布。這樣，在滿足設(shè)備安裝的同時(shí)，還可利用空間避免電磁干擾和滿足設(shè)備散熱需求，并為后期的維護(hù)提供足夠操作空間。設(shè)備應(yīng)盡量安裝于支架上，以降低蒙皮受力，確保箱體強(qiáng)度。最終的低壓箱箱體框架結(jié)構(gòu)三維圖如圖1所示。

圖1 低壓箱箱體框架結(jié)構(gòu)三維圖

1.1.2 箱體材料

為滿足輕量化要求，統(tǒng)型低壓箱的骨架和蒙皮均采用鋁合金材質(zhì)，不僅密度低、抗拉強(qiáng)度高、延伸率高、焊接性能優(yōu)良，還適用于造型復(fù)雜的底架吊掛設(shè)備。低壓箱骨架選用鋁合金擠壓型材6061 T6，其耐力在245 N/mm2以上，足夠低壓箱的整體承重。蒙皮選用鋁合金5754 H111。鋁合金材料的相關(guān)性能如表1所示[5]。

表1 骨架及蒙皮材料性能

1.1.3 應(yīng)力分析

在確定箱體基本結(jié)構(gòu)和材料后，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析，以確定其結(jié)構(gòu)的可靠性。首先，在HYPERMESH軟件中建立低壓箱有限元模型，然后，在NASTRAN軟件中進(jìn)行多個(gè)極限工況下的應(yīng)力計(jì)算。縱向加速度為5g(g為重力加速度)工況下的低壓箱體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，該工況下，低壓箱體應(yīng)力最大值為

Stress(vonMises, Max) Max=1.264E+02(Node 39298); Min=1.895E-14(Node 104025))

圖2 低壓箱應(yīng)力云圖

126 MPa，小于表1中的應(yīng)力允許值(屈服強(qiáng)度)190 MPa。模擬計(jì)算結(jié)果證明，箱體結(jié)構(gòu)及材料能滿足強(qiáng)度及折彎塑形要求。

1.2 箱體吊掛形式設(shè)計(jì)

低壓箱應(yīng)采用合理的吊掛形式安裝于地鐵車輛的底架上。一般將吊耳焊接于蒙皮之上。由于地鐵車輛運(yùn)行時(shí)工況復(fù)雜，箱體既要承受自身的重量，又要承受車輛運(yùn)行時(shí)各向的沖擊振動(dòng)力，故若將吊耳焊接于蒙皮之上，則在車輛長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)有焊接處蒙皮撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。基于安全考慮，將箱體骨架的頂部橫梁延伸至箱體外，作為吊掛梁，并在吊掛梁兩頭開孔以進(jìn)行吊掛安裝。此方法可將低壓箱吊掛所受應(yīng)力分散于整個(gè)橫梁及骨架上，使得箱體強(qiáng)度更高。

1.3 箱門設(shè)計(jì)

低壓箱內(nèi)安裝有眾多元器件，需經(jīng)常進(jìn)行操作和維護(hù)。因此，箱門的設(shè)計(jì)應(yīng)便于工作人員操作和維護(hù)。低壓箱周圍還有其他底架吊掛設(shè)備，因此箱門的打開方向和操作空間也應(yīng)慎重設(shè)計(jì)，避免與周圍設(shè)備發(fā)生干涉。此外，受限界要求，若將箱門設(shè)置于底部，還需保證箱門打開后距軌面留有足夠空間。綜合考慮上述因素，低壓箱統(tǒng)型結(jié)構(gòu)箱體共設(shè)置2個(gè)箱門，分別位于箱體側(cè)面和底部。箱門設(shè)計(jì)如圖3所示。

箱體側(cè)面的門采用鉸鏈加壓力鎖的安裝方式，自上而下打開，門的開度為180°。側(cè)門打開后，工作人員可觀察到箱體內(nèi)部的所有元器件設(shè)備，且能對(duì)距門最近且需頻繁操作的元器件進(jìn)行操作。箱體底部的門設(shè)置于進(jìn)線側(cè)的下方，采用鉸鏈加壓力鎖的安裝方式，門的開度為90°。底部門打開后，工作人員可探身進(jìn)入低壓箱內(nèi)部，對(duì)元器件進(jìn)行檢修和更換。

圖3 低壓箱門設(shè)計(jì)圖

1.4 箱體進(jìn)線處的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)低壓箱進(jìn)線處受吊掛設(shè)備、底架線槽和吊掛橫梁的遮擋，布線空間較小。為了緩解低壓箱進(jìn)線處線纜數(shù)量多、線徑粗及布線空間不足等問題，統(tǒng)型低壓箱結(jié)構(gòu)降低了箱體布線口的位置，形成臺(tái)階式的高度差，將箱體內(nèi)部空間讓出一部分用于箱體外部線纜的進(jìn)出，從而解決了布線空間不足等問題。優(yōu)化后的低壓箱進(jìn)線處結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 低壓箱進(jìn)線處結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2 統(tǒng)型結(jié)構(gòu)低壓箱箱體性能驗(yàn)證

在完成低壓箱統(tǒng)型結(jié)構(gòu)的箱體設(shè)計(jì)后，需對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。作為地鐵車輛的底架吊掛件設(shè)備，低壓箱須具有良好的防水、防塵性能，以及可靠的強(qiáng)度與剛度。

2.1 密封性能驗(yàn)證

將箱體送至專業(yè)的測(cè)試技術(shù)公司，按照車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)的安裝及密封形式將其密封，根據(jù)IEC 60529標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IP65試驗(yàn)等級(jí)的條件，依次進(jìn)行防止接近危險(xiǎn)部件試驗(yàn)、防塵試驗(yàn)及防水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)果證明箱體滿足密封性要求。

2.2 強(qiáng)度驗(yàn)證

將箱體樣品按照實(shí)際地鐵項(xiàng)目中的設(shè)備進(jìn)行配重，送至專業(yè)的測(cè)試技術(shù)公司進(jìn)行沖擊振動(dòng)試驗(yàn)。將試驗(yàn)樣品按照IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)中1級(jí)A類車體安裝設(shè)備的技術(shù)條件和要求分別進(jìn)行模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)試驗(yàn)及功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室模擬地鐵項(xiàng)目工況的環(huán)境(主要體現(xiàn)為溫度、濕度及氣壓等)，試驗(yàn)設(shè)備為電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。其中，橫向振動(dòng)(模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn))工況的試驗(yàn)頻譜如表3所示。部分試驗(yàn)圖譜如圖5所示。由圖5可見，試驗(yàn)控制點(diǎn)的測(cè)量響應(yīng)曲線均在誤差限值內(nèi)。

表2 密封性試驗(yàn)條件及結(jié)果

表3 模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)頻譜

注:如測(cè)量響應(yīng)曲線超過警告限值曲線,則需對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整;如測(cè)量響應(yīng)曲線超過中斷限值曲線,則說明箱體不可用

圖5 橫向模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)圖譜

在沖擊試驗(yàn)及振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)箱體外觀及結(jié)構(gòu)均完好，證明低壓箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足強(qiáng)度與剛度要求。

3 結(jié)語(yǔ)

由于應(yīng)用統(tǒng)型結(jié)構(gòu)能節(jié)省設(shè)計(jì)的時(shí)間、精力和成本，因此本文參照了對(duì)比以往項(xiàng)目的低壓箱結(jié)構(gòu)后，結(jié)合設(shè)計(jì)需求提出了統(tǒng)型結(jié)構(gòu)框架。通過對(duì)低壓箱框架結(jié)構(gòu)建立有限元模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)出低壓箱的統(tǒng)型結(jié)構(gòu)箱體。通過沖擊振動(dòng)和密封性試驗(yàn)，證明統(tǒng)型結(jié)構(gòu)低壓箱箱體的密封性、強(qiáng)度及剛度滿足要求，適用于地鐵車輛的裝配。

統(tǒng)型結(jié)構(gòu)的低壓箱應(yīng)用于不同項(xiàng)目時(shí)，只需更改其內(nèi)部設(shè)備的選型、排布及布線即可，大大提升了設(shè)計(jì)效率，減少了箱體的試驗(yàn)成本。使用統(tǒng)型結(jié)構(gòu)低壓箱后，設(shè)備安裝可靠、維護(hù)方便，檢修時(shí)無(wú)不良情況出現(xiàn)，使用體驗(yàn)較好。可見，統(tǒng)型結(jié)構(gòu)的低壓箱設(shè)計(jì)快捷，使用方便，通用性強(qiáng)，適用于多種不同項(xiàng)目。

[1] 梁師嵩.地鐵車輛低壓箱的密封形式研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛, 2015, 38(3): 86.

[2] 陳晶晶, 柳曉峰.某A型地鐵車體結(jié)構(gòu)輕量化研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛, 2015, 38(6): 9.

[3] IEC(International Electrotechnical Commission).Railway applications-rolling stock equipment-shock and vibration tests: IEC 61373: 1999[S].Switzerland: International Electrotechnical Commission, 1999: 6.

[4] CEN(European Committee for Standardization).Railway applications-Welding of railway vehicles and components-Part 3: Design requirements: EN 15085-3[S]. Berlin: CEN, 2007: 7.

[5] CEN((European Committee for Standardization).Aluminium and aluminium alloy extruded rod/bar, tube and profiles-Part 2: Mechanical properties: DIN EN 755-2[S]. Berlin: CEN, 1997: 6.