車下設備安裝架強度分析及優化

寇福俊 曹寶元 劉元君 景建輝

摘要：通過計算動車組的車下設備安裝架在車輛運行過程中受到橫向、縱向、垂向三個方向載荷作用時的應力，對安裝架結構進行優化，計算結果表明，優化后的吊掛結構靜強度的安全系數有很大提高，大幅提升了動車的安全運營保障，也為其他吊掛設備安裝架的優化提供了可靠的依據。

關鍵詞：蓄電池箱;安裝架;靜強度;優化

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.07.094

1概述

盡管我國高速列車的設計、制造和集成技術已經具有世界先進水平，高速列車的安全運行問題仍然是面臨的巨大挑戰。高鐵車輛作為運輸體系中的關鍵裝備，對車輛及其零部件的安全評估也就越來越重要。高鐵車輛有很多的車下吊掛設備，這些設備的吊點往往不具備直接安裝到車體的條件，所以需要通過安裝架連接到車體上。安裝架承受載荷復雜，工作環境惡劣，所以對這些安裝架的強度的評估和優化對高鐵的安全運營具有重要的意義。為此以蓄電池箱安裝架為例進行分析、優化和試驗。

2原方案有限元模型建立

2.1幾何模型

蓄電池箱安裝架為拼焊結構，其下方吊掛設備質量為490kg，重心位置基本位于設備幾何中心處，垂向重心距吊座安裝面250mm，如下圖所示。安裝架與設備通過安裝座使用M12螺栓連接，安裝架與車體底架為M20螺栓連接。

2.2有限元模型

根據蓄電池箱安裝架的實際結構和尺寸建立幾何模型，對蓄電池箱安裝架的幾何模型進行離散。模型采用殼單元S4，單元大小為3mm，共劃分11591個單元，12189個節點，蓄電池箱安裝架有限元模型如圖2所示。

2.3材料屬性

蓄電池箱安裝架材料選用鋁合金5083 P-0，材料屬性如表1所示。

2.4計算工況和邊界條件

根據鐵路車輛車體結構的相關標準規定，車下設備靜強度需滿足縱向±3g、橫向±1g、垂向（1±C）g載荷及載荷組合要求，根據安裝架在車體上的安裝位置確定C取0.5。

由設備的特點和標準要求，靜強度計算有8種工況，如表2所示。

3仿真結果及分析

3.1靜強度計算結果

表3是靜強度計算結果，可以看出所有工況的等效應力最大值均大幅超出屈服強度，發生的部位在吊掛點和安裝座區域，其中最小的工況一，圖3是工況一的等效應力云圖，可以看出，整個結構有一半的區域超過屈服強度，上縱梁尤其嚴重。

3.2優化方案

根據靜強度分析，發現如下問題。

（1）L型的上縱梁強度遠不能滿足要求;

（2）彎縱梁的厚度需要增加;

（3）吊掛點的焊接方案需優化;

（4）優化后的重量需要控制。

根據分析，針對以上問題，主要采用的優化方法有以下幾點：

（1）改變焊縫預留位置，將吊耳焊縫上移，形成局部整體承載;

（2）增加上彎梁板厚，由原來的6mm增加到8mm，其它不變;

（3）設置減重孔，在非集中承載位置打直徑40mm的圓孔。

經多次優化驗證，得到最終的優化方案見圖4，原設計質量為11.5kg，優化后質量為11.9kg。

4優化方案的仿真及分析

表4是最終優化方案的計算結果，可以看出，所有工況等效應力均小于屈服強度，其中工況一的應力最大，圖5是工況一的等效應力云圖。

5結論

通過對蓄電池箱安裝架計算結果的分析，提出優化的方案，并對優化方案進行計算驗證。計算結果顯示，優化后的方案安全系數大幅提升。

可以依此為依據，對其他車下設備安裝架進行分析和優化，提升車輛整體的安全系數。

參考文獻

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