160km/h動車組牽引通風風道仿真分析及設計優化

李春義 郭帥 張天宜

摘要：基于CREO-Simulate，以鐵道部相關標準與歐標EN12663為準則，對時速160km動力集中動車組動力車牽引通風風道進行結構設計及強度仿真分析。考慮結構設計的穩定性與空間布置的緊湊性，考慮運行過程中的振動，并以實車工況進行模擬，為制造工藝和生產施工提供設計指導，并為動車組牽引通風系統的設計提供借鑒與參考。

Abstract： Based on CREO-Simulate， based on the relevant standards of the Ministry of Railways and the European standard EN12663， the structural design and strength simulation analysis of the traction ventilation duct of the power train with a speed of 160km is conducted. Considering the stability of structural design and the compactness of spatial arrangement， as well as the vibration during operation， simulation is carried out in real vehicle conditions， to provide design guidance for manufacturing process and production construction， and provide reference for the design of EMU traction ventilation system with reference.

關鍵詞：動車組動力車;牽引通風風道;CREO;仿真分析

Key words： EMU power car;traction ventilation duct;CREO;simulation analysis

中圖分類號：U260.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）29-0191-03

0? 引言

時速160公里動力集中動車組動力車是新型動力集中動車組的交流傳動電動動力車。該動車組可運用于既有線路，時速160公里，可以提高客運列車的檔次和速度，同時與高鐵列車相比又具有很好的經濟性，具有采購成本低、運行成本低、維護成本低的特點。

時速160公里動力集中動車組牽引電機具有結構緊湊、持續點速度低、單機功率大和發熱量大等特點。牽引通風風道上部承接整個牽引通風機的重量，下部連接牽引支風道與牽引電機，在動力車機械間通風系統結構布置中處于關鍵位置。因此，動力車牽引通風風道的強度與穩定性會關系到通風系統與冷卻系統是否可以順利運行，進而影響動車組整車運行的可靠性。本文詳細設計了時速160公里動力集中動車組的牽引通風風道，運用三維建模軟件CREO結構設計，利用該軟件的后處理器進行計算分析，分析其運行各個工況的特點，并根據計算結果對原結構進行設計優化，確保牽引通風風道安裝后的穩定性，使動車組順利運行。

1? 風道參數及設計

機車的牽引通風系統主要是由牽引電機、頂蓋集氣風道、過濾裝置、通風道、牽引通風機等組成。每臺牽引通風機為同一個轉向架上的兩臺牽引電機通風冷卻，該通風系統在風道內旁通一部分冷卻空氣為機械間通風[1]。

牽引通風風道處于通風系統中部關鍵位置，風道由主風道、風道觀察口及密封條和緊固件組成。牽引通風風機重量為350kg，為減輕自重，結構為框架式鋁質結構，主材為AL6082，連接形式為焊接。

結構的設計思路為：大體定形-細部設計-整體驗證，設計軟件運用三維軟件CREO及AUTOCAD2019。設計方法如下：

①明確結構自重，結合設備布置與機械間通風系統空間要求，確定牽引通風風道的外部輪廓尺寸。

②確定與牽引通風機的設備連接接口，連接位置需要局部加強。

③確定各種管道接口和預留口的位置：在溝通好技術細節后，確定排塵出口、觀察口、1#支風道接口、1#支風道接口等相關內容。尤其注意設備的整體安裝與拆卸;應保證檢修的便捷性與可行性。

④選材：主材為鋁合金，牌號為AL6082，在縱向立板與底封板上之設計加強筋，布置方式為均布。明確底封板選取鋁板的厚度及局部加強的結構布置方式[5];首端與尾端板及側封板的厚度;明確側封板、頂蓋板銜接處的結構加強方式;明確風道內部設計的橫縱兩個方向的立板厚度。

⑤為保障風道整體結構的力流傳遞，在內部設計一道弧形板，避免出現應力集中。

2? 仿真與計算

使用Creo Parametric 2.0中的“模型”板塊，利用二維平面與三維建模的命令構建風道的三維模型，充分考慮裝配體的順序與合理性;模型檢測無誤后，使用“應用程序”板塊，風道模型自動導入，打開“Simulate”，選擇“結構模式”，按照邊界條件與實際工況設定約束與承載等參數;而后打開“精細模型”，混合使用“AUTOGEM”與 “審閱幾何”，生成mesh文件，選擇四面體網格;劃分網格的過程中可以將風道模型的主要承載區域網格細分，將非主承載區域的網格較粗處理，最終得出所需工況的分析結果，計算工況主要選取了靜載與急剎車兩種[4]。

振動工況的模數選取6階，用于對比整車的頻率[3]。

2.1 靜載工況

使用Creo Parametric 2.0“分析結果”板塊，從中可以得出位移變化云圖與等效應力分布云圖，確定等效應力的最大值與其在結構上的分布區域，并按照本文提到的強度標準進行校核。

靜載工況考慮結構自重與風機重量。通過分析，最大應力發生在風道中部加強板的角隅處，σmax=86.45MPa，最大變形區域在風機與風道的安裝界面，Dmax=0.346mm。分析結果見圖2與圖3。

2.2 急剎車工況

機車的急剎車工況應該考慮風機重量、自重及整車慣性加速度對結構的沖擊影響[5，6]。通過有限元分析，最大等效應力發生在風道中部加強襯板的角隅處，σmax=80.13MPa，最大變形區域在牽引通風道與風機的安裝界面處，Dmax=0.347mm。分析結果見圖4與圖5。

由仿真計算分析數據可知，牽引通風風道結構在風道中部加強襯板處，會產生角隅應力，但變形與應力均在材料AL6062的安全范圍之內，風道的強度符合要求。

2.3 模態分析

結構的固有振動特性稱之為模態，每一個模態都有特定的模態振型、阻尼比和固有頻率。動力集中動車組的整車運行中有多頻段的共振頻率。對牽引風道進行了約束狀態下的模態分析，模數選取6，識別出風道的前6階模態參數，并與整車性能要求的共振頻率段進行對比分析。計算結果如下：根據整車性能要求，風道固有頻率不允許出現在10-15Hz、23-27Hz、48-52Hz范圍內。計算結果顯示，牽引通風風道的各階頻率均避開了危險共振頻段。

3? 結束語

通過以上的計算分析，牽引通風風道的設計執行歐標EN12663，滿足鋁合金結構的強度要求并緊湊布置動車機械間設備，且規避了共振頻段，并可對結構提出優化設計：在最大應力出現處可采取工藝倒角措施防止應力集中;在牽引風道的下部筋板可根據螺栓孔的位置，適當減小間距，防止加強筋板布置失效。

與文獻[1]相比較，將牽引通風風道的結構設計、劃分網格與有限元分析有機統一于同一軟件平臺上，方便結構設計與仿真分析同時進行，避免三維模型的導入導出，節省分析時間;與文獻[3]相比較，結合了傳統的制造工藝的基礎，并給出切實可行的結構優化設計。

新式動車組的開發與研制發展迅猛，目前是針對160km動力集中動車組車型做出的計算仿真分析，可為動車組車型的牽引風道設計與安裝提供設計借鑒與經驗，更多車型牽引風道的設計與研究有待后續研究。

參考文獻：

[1]鄧紀辰，隋錫征，梁海濤，呂九龍. 時速160km動力集中動車組動力車牽引通風系統仿真分析與模擬試驗[J].鐵道機車與動車，2018（7）：20-24.

[2]王成國，藤本裕，石田弘明.200km/h動車組動力學性能的仿真研究[C].鐵道科學技術新進展——鐵道科學研究院五十五周年論文集.

[3]孔璞.高速列車設備艙通風系統測試系統設計與應用[D].西南交通大學，2012.

[4]TB/T2730-1996，內燃機車車體技術條件[S].鐵道部，1995.

[5]EN 12663，軌道交通-鐵道車輛車體結構要求[S].BSI，2010.

[6]郭帥，張天宜.基于CREO-Simulate的內燃機車燃油蓄電池箱設計方法[J].鐵道機車與動車，2018（7）：15-19.