基于鉚接結構的車下設備箱設計

薛浩飛 王長昌 徐先偉 周姝

摘 要：為解決車下設備箱在生產過程中需耗費大量工時進行焊接矯形的問題，提出一種基于鉚接結構車下設備箱的設計，并通過有限元仿真計算進行驗證，為城市軌道交通車下設備箱的研發提供一種設計新思路。

關鍵詞：城市軌道交通;鉚接結構;車下設備箱;牽引逆變器;設計

中圖分類號：U270.38

本文所述的車下設備箱主要包括城市軌道交通車輛下懸掛的電氣牽引與輔助系統設備箱，如牽引逆變器箱、高壓電氣箱、充電機箱、輔助逆變器箱等。車下設備箱作為城市軌道交通車輛的關鍵部件，其結構可靠性對車輛的安全運行起著至關重要的作用。傳統的車下設備箱箱體一般采用焊接結構或焊接結構與鉚接結構相結合的方式，這2種方式都不可避免地存在產品焊接變形的現象，為此不得不花費大量的時間進行表面校形，以確保箱體的平面度和尺寸精度。為解決上述問題，提出一種基于鉚接結構的車下設備箱設計，下面以牽引系統中的牽引逆變器為例進行闡述。

1 基于鉚接結構的牽引逆變器

1.1 牽引逆變器的基本組成

牽引逆變器主要由牽引逆變器箱體、變流器模塊和牽引控制器等組成，如圖1所示。其中，牽引逆變器箱體起著承載和固定的作用;變流器模塊和牽引控制器均采用抽屜式結構，便于在牽引逆變器箱體上進行安裝、檢修和維護。

1.2 牽引逆變器箱體的基本組成

牽引變流器箱體主要由鉚接箱體、維護門和模塊滑道等組成，如圖2所示。其中，鉚接箱體主要由板材通過鉚釘連接而成;維護門的設計是為了便于產品的日常檢修和維護;模塊滑道固定于箱體底梁，采用摩擦系數較低的尼龍材料制作而成，使得變流器模塊的推拉較為順暢，便于變流器模塊的安裝與拆卸。

1.3 鉚接箱體的結構說明

牽引變流器的鉚接箱體結構主要由吊耳、頂板、前板、后板組件、側板組件、隔框、隔板、底板、底梁等組成，如圖3所示。所有零部件均采用板材折彎而成，板材的搭接位置都均勻地設置了鉚接孔，并采用密封型鉚釘進行連接。同時，在頂板和底板的邊緣部位設置了Z型折彎結構，從而實現了各面板以及吊耳的良好銜接，其典型結構如圖4所示。吊耳采用螺栓、蝶形墊圈和全金屬六角鎖緊螺母固定于箱體頂部，并進行打膠處理以保證密封。

該牽引變流器箱體的主要材質為不銹鋼SUS304，門板材質為鋁合金5083H111。箱體各零部件的材質及板厚詳見表1。

該箱體主要采用鉚釘進行連接，節約了焊接工藝所需的矯形時間，產品平整度較高，尺寸精度更易于保證，提高了產品的生產效率。

2 結構有限元仿真計算

為驗證該結構的可靠性，參照EN 61373： 2010 《Railway applications-Rolling stock equipment-Shock and vibration tests》、EN 12663：2010《Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》及DVS 1612：2014《Design and endurance strength evaluation for welded steel joints in railway vehicle construction》的相關規定，對此牽引逆變器箱體進行靜強度和疲勞強度仿真計算。

2.1 強度計算工況

該產品計算工況分為靜強度工況和疲勞強度工況，工況參數分別如表2和表3所示。

2.2 網格劃分和材料屬性設置

根據牽引逆變器的結構特點，主要采用殼單元模擬，單元大小約為10mm，厚度取設計值（即表1中的板厚）。整個模型單元共366 691個，節點共226 918個，有限元模型如圖5所示。牽引逆變器的電氣部件采用質量單元進行模擬，螺栓采用梁單元進行模擬，其余連接處均采用耦合約束進行簡化。

牽引逆變器箱的材料屬性如表4所示，將其賦予有限元模型中相應的網格單元。

2.3 加載及約束方式

各工況以加速度形式對整個模型施加慣性載荷，約束安裝座螺栓孔處X、Y、Z 3個平動自由度。

2.4 計算結果

靜強度計算結果顯示，牽引逆變器箱在工況4出現最大靜態應力：125.2 MPa，位于隔框內側圓弧部位，詳見圖6，將該處的靜態應力值除以不銹鋼的許用應力值205 MPa，得到該處材料的利用系數為0.61，其值小于1，因此牽引逆變器箱的靜強度是合格的。

疲勞強度結果顯示，牽引逆變器箱疲勞強度利用系數S最高的位置出現在吊耳內側的焊縫處，詳見

圖7。該處的利用系數值為0.40，小于0.75。通過查詢EN 15085-3 ：2007《鐵路車輛及其部件的焊接 - 第3部分：設計要求》可知，其應力等級為“低”（表5），牽引逆變器箱吊耳的安全等級為“中” ;再根據EN 15085-3：2007標準對焊接性能等級的規定（表6），吊耳處的焊接性能等級應設計為CPC3，吊耳焊縫按照CPC3的性能等級進行焊接施工和質量控制，其抗疲勞性能滿足使用要求，安全可靠。

由于在實際生產過程中CPC3的性能非常容易實現，一般情況下，為進一步提高焊縫的可靠性，對車下設備的吊耳焊接均設計為性能等級更高的CPC2焊縫。CPC2的焊縫相比于CPC3的焊縫，施工過程基本一致，但其質量控制更加嚴格，故性能更佳，焊縫可靠性更高。因此，牽引逆變器箱吊耳內側焊縫的抗疲勞性能更高，其疲勞強度是合格的。

吊耳內側焊縫是整個產品中疲勞強度利用系數最高的部位，其疲勞強度合格，那么利用系數更低的其余焊縫及母材的疲勞強度也應合格。由此可見，整個牽引逆變器箱的疲勞強度均為合格。

3 結語

本文以牽引逆變器箱為例，介紹了一種基于鉚接結構的車下設備箱，其結構設計巧妙，靜強度和疲勞強度均滿足相關標準要求。相比傳統的焊接箱體和焊接結構與鉚接結構相結合的箱體，具有平整度較高、尺寸精度更易于保證、生產效率較高的優點。

本文所述的鉚接結構可廣泛應用于城市軌道交通車輛的車下設備箱。與牽引逆變器箱相比，其余車下設備的復雜程度基本相當，通過其內部功能器件的合理化布置和箱體結構的合理化設計，鉚接結構同樣可用于高壓電氣箱、充電機箱和輔助逆變器箱等車下設備箱。

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收稿日期 2019-11-27

責任編輯 黨選麗

Design of module box under vehicle floor based on riveted structure

Xue Haofei， Wang Changchang， Xu Xianwei， et al.

Abstract： In order to solve the problem that module box under vehicle floor needs a lot of working hours to be welded and structured in the manufacturing process， this paper proposes and verifies a design of module box under vehicle floor based on riveted structure by finite element simulation calculation， providing a new design idea for the research and development of module box under vehicle floor of urban rail transit.

Keywords： urban rail transit， riveted structure， under vehicle floor module box， traction inverter， design