電力機(jī)車無火回送電源柜的設(shè)計(jì)與分析

□ 衛(wèi) 玉 □ 程有平 □ 張宏霞

太原暢通致遠(yuǎn)鐵路機(jī)車車輛電子有限公司 太原 030027

無火回送,指機(jī)車運(yùn)行到規(guī)定里程后,需要無動(dòng)力回送至機(jī)車廠大修。無火回送時(shí),機(jī)車按規(guī)定應(yīng)附掛在貨物列車中運(yùn)行,到達(dá)目的地,內(nèi)燃機(jī)車不啟動(dòng)柴油機(jī),電力機(jī)車不升弓,這樣,司乘人員的生活用電得不到保障。對此,設(shè)計(jì)了電力機(jī)車無火回送電源柜,安裝在電力機(jī)車上,可以解決司乘人員的生活用電問題[1]。

筆者對所設(shè)計(jì)的電力機(jī)車無火回送電源柜總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹,并建立有限元模型,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21563—2018《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》中的相關(guān)要求,進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

1 總體結(jié)構(gòu)

電力機(jī)車無火回送電源柜由儲(chǔ)能柜、前置柜、底座三部分組成,三維模型如圖1所示,總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,內(nèi)部模塊布置如圖3所示。

圖1 電力機(jī)車無火回送電源柜三維模型

圖2 電力機(jī)車無火回送電源柜總體結(jié)構(gòu)

圖3 電力機(jī)車無火回送電源柜內(nèi)部模塊布置

儲(chǔ)能柜骨架由尺寸為40 mm×40 mm×3 mm和30 mm×30 mm×3 mm的方鋼焊接而成。儲(chǔ)能柜骨架焊接后,分為四層,每層可以放置兩個(gè)模塊,共放置B模塊、S模塊、D模塊、C模塊、鋰電池箱,以及三個(gè)電容箱。每個(gè)模塊的底座后梁由兩個(gè)定位銷定位,底座前梁由兩個(gè)M8螺栓固定。模塊可順著安裝架的不銹鋼導(dǎo)軌插入和抽出。儲(chǔ)能柜柜體前后面板均設(shè)置有百葉窗。

前置柜由1.5 mm厚優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板拼焊而成,柜體內(nèi)部放置空氣開關(guān)組件、E模塊和電源隔離組件。

底座根據(jù)機(jī)車內(nèi)部的導(dǎo)軌尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),使用60 mm×60 mm×5 mm方鋼焊接而成。底座孔位精準(zhǔn),便于安裝固定在機(jī)車上[2-3]。

電力機(jī)車無火回送電源柜不包含底座的尺寸為1 050 mm×1 001 mm×1 440 mm,儲(chǔ)能柜質(zhì)量約為450 kg,前置柜質(zhì)量約為80 kg。

2 有限元建模

對于復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)問題,通過材料力學(xué)計(jì)算很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果,甚至得不到結(jié)果,此時(shí)需要通過有限元方法求解力學(xué)問題。有限元方法基于離散逼近的基本策略,可以采用較多數(shù)量的簡單函數(shù)組合來近似代替非常復(fù)雜的原函數(shù)。

在設(shè)計(jì)階段,通過仿真軟件對電力機(jī)車無火回送電源柜模型進(jìn)行靜強(qiáng)度分析,可以有效發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的缺陷,避免在樣機(jī)試制環(huán)節(jié)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題。

筆者主要針對儲(chǔ)能柜進(jìn)行靜強(qiáng)度分析,主體結(jié)構(gòu)使用Q235A鋼。根據(jù)GB/T 21563—2018中的I類A級(jí)車體安裝沖擊試驗(yàn)條件,慣性加速度Y向、Z向取30 m/s2,X向取50 m/s2。

劃分網(wǎng)格前,先簡化模型。因?yàn)槿S模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,直接對三維模型進(jìn)行分析會(huì)造成計(jì)算機(jī)計(jì)算量過大,導(dǎo)致分析失敗。模型簡化的目的是去除一些不影響分析結(jié)構(gòu)的零件和特征。本次分析中去除的零件包括儲(chǔ)能柜前后面板、扎線桿、散熱罩、散熱板、圓螺母。網(wǎng)格劃分后儲(chǔ)能柜有限元模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分后儲(chǔ)能柜有限元模型

固定約束設(shè)置為四個(gè)安裝腳座的長圓孔內(nèi)表面,加載柜體的重力加速度。將單元模塊的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為同等的力,均布施加在模塊安裝架的橫梁表面上。分別施加各個(gè)方向的慣性加速度。按照GB/T 21563—2018中的I類A級(jí)車體安裝沖擊試驗(yàn)條件,考慮儲(chǔ)能柜本身的質(zhì)量及機(jī)車啟動(dòng)時(shí)的牽引和緊急制動(dòng),柜體在機(jī)車運(yùn)行時(shí)受到Y(jié)向、Z向、X向沖擊及振動(dòng)影響,確定五種極限工況[4]。

第一種極限工況為柜體重力+負(fù)Y向慣性力。軌道的高低不平會(huì)引起機(jī)車Y向的振動(dòng),第一種極限工況考慮的是儲(chǔ)能柜自身的重力與Y向慣性力的耦合[5]。由儲(chǔ)能柜內(nèi)八個(gè)模塊的質(zhì)量可以計(jì)算出各個(gè)模塊的重力,進(jìn)而計(jì)算出施加在安裝架橫梁上的均布力。儲(chǔ)能柜安裝架均布力如圖5所示,負(fù)Y向慣性加速度的方向與重力方向一致。

圖5 儲(chǔ)能柜安裝架均布力

在仿真界面加載儲(chǔ)能柜自身重力加速度和負(fù)Y向慣性加速度30 m/s2,進(jìn)行求解。

第二種極限工況為柜體重力+負(fù)Z向慣性力,第三種極限工況為柜體重力+Z向慣性力。

機(jī)車通過道岔、曲線,機(jī)車本身具有蛇形運(yùn)動(dòng)趨勢,加之軌道水平不平,會(huì)產(chǎn)生Z向振動(dòng),這樣儲(chǔ)能柜就會(huì)受到?jīng)_擊。第二種和第三種極限工況基于以上情形,是儲(chǔ)能柜自身重力與Z向慣性力的耦合。

第二種和第三種極限工況下,計(jì)算機(jī)已記憶安裝架分布力,只需在仿真操作界面中輸入負(fù)Z向和Z向慣性加速度30 m/s2,就可以進(jìn)行求解。

第四種極限工況為柜體重力+負(fù)X向慣性力,第五種極限工況為柜體重力+X向慣性力。

第四種和第五種極限工況分別考慮的是機(jī)車緊急制動(dòng)與機(jī)車啟動(dòng)時(shí)牽引,在仿真操作界面中只需輸入負(fù)X向和X向慣性加速度50 m/s2,就可以進(jìn)行求解。

3 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

第一、第二、第三種極限工況下儲(chǔ)能柜靜強(qiáng)度分析結(jié)果依次如圖6、圖7、圖8所示,第四種極限工況下儲(chǔ)能柜應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖6 第一種極限工況儲(chǔ)能柜靜強(qiáng)度分析結(jié)果

圖8 第三種工況儲(chǔ)能柜靜強(qiáng)度分析結(jié)果

由圖9可以看出,在第四種極限工況下,儲(chǔ)能柜右側(cè)下端加強(qiáng)筋的應(yīng)力值達(dá)到283.14 MPa,超過了材料Q235A鋼的屈服極限(235 MPa),需要對加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖9 第四種極限工況儲(chǔ)能柜應(yīng)力云圖

原加強(qiáng)筋的尺寸如圖10所示,改進(jìn)后加強(qiáng)筋的尺寸如圖11所示。所用材料仍為Q235A鋼,厚度為6 mm。原加強(qiáng)筋的形狀會(huì)產(chǎn)生不良力線傳遞,尖角處容易引起應(yīng)力集中。改進(jìn)后,加強(qiáng)筋去除尖角,增加弧度,根據(jù)材料力學(xué)理論,可以避免產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[6-7]。改進(jìn)后進(jìn)行第四種和第五種極限工況下儲(chǔ)能柜靜強(qiáng)度分析,結(jié)果分別如圖12、圖13所示。

圖10 原加強(qiáng)筋尺寸

圖11 改進(jìn)后加強(qiáng)筋尺寸

圖12 改進(jìn)后第四種極限工況儲(chǔ)能柜靜強(qiáng)度分析結(jié)果

圖13 改進(jìn)后第五種極限工況儲(chǔ)能柜靜強(qiáng)度分析結(jié)果

儲(chǔ)能柜在五種極限工況下的靜強(qiáng)度分析結(jié)果見表1,其中第一、第二、第三種極限工況為加強(qiáng)筋改進(jìn)前分析結(jié)果,第四、第五種極限工況為加強(qiáng)筋改進(jìn)后分析結(jié)果。鑒于加強(qiáng)筋改進(jìn)前第一、第二、第三種極限工況分析結(jié)果已滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,加強(qiáng)筋改進(jìn)后不再進(jìn)行第一、第二、第三種極限工況下的靜強(qiáng)度分析。

表1 儲(chǔ)能柜靜強(qiáng)度分析結(jié)果

加強(qiáng)筋改進(jìn)后,儲(chǔ)能柜在五種極限工況下材料的最大應(yīng)力值均小于Q235A鋼的屈服極限(235 MPa),最大變形量均非常小,可以忽略不計(jì)。由此可見,儲(chǔ)能柜的強(qiáng)度和剛度都滿足GB/T 21563—2018的相關(guān)要求。

4 結(jié)束語

對所設(shè)計(jì)的電力機(jī)車無火回送電源柜進(jìn)行了實(shí)地起吊裝車試驗(yàn),設(shè)備運(yùn)行情況良好。

筆者在有限元分析過程中,將模塊的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為同等的力,均布施加在安裝架上,相對于確定模塊質(zhì)心及其它方法,更方便且易于操作[8-10]。當(dāng)然,筆者只對儲(chǔ)能柜進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析,后續(xù)可以進(jìn)一步分析前置柜、底座的靜強(qiáng)度,以及電力機(jī)車無火回送電源柜整機(jī)的散熱問題。