簡述地鐵車輛用堿性立式蓄電池箱結構設計

南京雷爾偉新技術股份有限公司 江蘇 南京 210061

1 背景介紹

蓄電池箱是地鐵車輛緊急通風、照明時的電源，地鐵車輛蓄電池箱所承載的蓄電池種類較多，按照蓄電池的安裝方式，可分為臥式和立式。本文根據蓄電池的安裝方式，設計出一種堿性立式蓄電池箱的結構，對于蓄電池箱的結構穩定性和安全性具有極為重要的作用[1]。

2 結構設計

蓄電池箱整體外形結構如圖1所示，采用框架式結構，主體由三部分組成，分別為蓄電池箱（左）、蓄電池箱（右）、主橫梁框架。左、右箱體采用對稱結構，保證了結構的穩定性。主橫梁框架用于與車輛安裝接口對接，并作為承載蓄電池箱的載體。單個箱體由上、下箱采用導軌連接的方式，形成抽屜式結構，下箱為蓄電池組的載體，在抽出上箱后實現蓄電池組的安裝、維護、更換等操作[2]。

圖1 蓄電池箱整體結構

根據三維圖和設計資料，利用hypermesh11.0建立電池箱結構的有限元模型，電池箱靜強度分析所用的軟件是美國著名的ANSYS公司的ANSYS。

建立電池箱有限元模型時，凡是對箱體剛度及強度有貢獻的結構，都應當予以考慮，以盡最大可能地反映出箱體實際情況。基于Hypermesh軟件，抽取箱體幾何中面，建立了本次計算的有限元模型，有限元模型構成以任意四節點等參薄殼單元為主，與梁單元、板單元相比，殼單元綜合考慮了結構單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應，因此，具有更高的計算精度。電池箱的有限元模型如圖2.1所示。在模型中采用質量單元模擬電池重量（總重585kg）；梁單元模擬部件之間的螺栓連接。有限元模型的節點總和為單元總數近400000個。

根據IEC 61373 2010 鐵道車輛設備沖擊和振動試驗標準要求，對電池箱結構三個方向的沖擊進行了計算，縱向5g、橫向3g、垂向cg（c在車體端部為最大值3，向車體中心線性變化到最小值 1.5，本文取3）。g為重力加速度，取為9.81m/s2。此時所產生的三個方向的合成應力不得大于材料的屈服極限[3]。

蓄電池箱整體應力分布如圖2所示，主橫梁框架應力分布圖見圖3：

圖2 整體應力分布

圖3 主橫梁應力分布

計算結果表明：蓄電池箱整體最大應力集中在主橫梁框架最端部的支架上，為365MPa，低于該處材料QSTE500TM的最大許用應力500MPa。主橫梁的最大應力集中處為主橫梁的中間橫梁與縱梁連接處，為166MPa，低于該處材料QSTE500TM的最大許用應力500MPa。上箱體最大應力集中處為端部與主橫梁安裝的支架處，為174MPa，低于該處材料X5CrNi18-10的最大許用應力205MPa。下箱體最大應力集中處為側面與導軌安裝面處，為175MPa，低于該處材料X5CrNi18-10的最大許用應力205MPa。導軌最大應力集中處為外側與上箱體安裝面處，為149MPa，低于該處材料45#鋼的最大許用應力360MPa。由上述計算結果可得，該電池箱的結構是安全可靠的[4]。

3 結束語

本文通過對地鐵車輛用堿性立式蓄電池箱結構主體進行靜強度分析，由計算結果得出該結構蓄電池箱具有非常好的安全性。同時，采用抽屜式結構設計蓄電池箱，使得蓄電池的安裝維護變得更為便捷。蓄電池箱整體也更為緊湊，相較于以往結構，可以減小箱體的設計尺寸，這樣節約了列車底架安裝的空間。