電力機車網側柜仿真計算分析

盧玉丹，李琛玫，丁偉民

(中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

電力機車網側柜安裝了用于隔離受電弓的高壓隔離開關和用于接通/斷開25 kV電源的真空斷路器、檢測接觸網電壓的高壓互感器、避雷器等高壓部件，其主要承載的電氣部件體型大、重量大。為滿足機車高可靠性、高安全性的運行，網側柜柜體必須具有足夠的強度和剛度。

以往項目中為驗證網側柜設計合理性，會選取某個網側柜進行試驗驗證，但每臺機車運行時的路況及工作環境均有不同，網側柜制造時或多或少存在制造誤差，試驗合格只能證明試驗樣品滿足設計要求不能代替所有產品。通過網側柜結構及材料特性的特點、設備布置介紹，結合靜強度、疲勞強度、模態、振動長壽命等仿真分析，網側柜模態試驗等多維度驗證其設計的合理性，避免振動沖擊試驗對網側柜骨架及器件的損耗。

1 網側柜結構及設備布置

網側柜內安裝有高壓隔離開關、高壓互感器、真空斷路器、高壓接地開關、避雷器各1個，網側柜主要框架及安裝重量較大的安裝座均采用符合GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》要求的高強度性能Q345鋼材，材料機械性能(見表1)。網側柜柜體尺寸長×寬×高為1 500 mm×1 050 mm×2 200 mm，網側柜骨架重約410 kg，網側柜總體重量約為710 kg，網側柜三維效果如圖1所示。

表1 材料機械性能參數

圖1 網側柜三維效果圖

網側柜內右側墻安裝1個支撐絕緣子，用于連接車頂受電弓側25 kV高壓電纜，高壓電纜通過支撐絕緣子轉接到真空斷路器輸入端；左側墻安裝1個高壓隔離開關，用于連接另一端車頂受電弓側25 kV高壓電纜，高壓電纜通過高壓隔離開關轉接到真空斷路器輸出端；網側柜后側墻上安裝1個高壓電壓互感器，它和真空斷路器的輸入端并聯，用于檢測25 kV網壓；柜體底部安裝有真空斷路器、高壓接地開關(檢修網側柜，保障安全接地)、避雷器(吸收變壓器側操作過電壓)各1個；柜內避雷器與真空主斷路器輸出端連接，并通過母排轉接到主變壓器的高壓輸入端；設備布置如圖2所示。

圖2 設備布置(隱藏門)

2 柜體仿真分析

2.1 柜體靜強度、疲勞強度

用ANSLS軟件對網側柜開展有限元分析，根據標準EN 12663-1：2010+A1：2014《鐵路應用 鐵路機車車輛車體結構要求 第1部分：機車和旅客列車(和貨車的替代方法)》中規定:在超常載荷工況下，要求網側柜體能夠分別承受縱向±3 g、橫向±1 g、垂向±c g(g為重力加速度，c值在車體中部取0.5，在車體端部取2)；同時，分別考慮柜體自重載荷，在這些慣性力的沖擊下不出現塑性變形，網側柜安裝在車體端部，在運用載荷工況下，要求柜體能夠分別承受相當于縱向±0.15 g、橫向±0.2 g、垂向(1±0.25)g的慣性力沖擊而不出現疲勞破壞；在模擬仿真分析時將網側柜組合成6個靜強度計算工況和8個疲勞計算工況。

計算結果顯示：靜載荷各個計算工況下網側柜的最大應力為185.413 MPa，發生在門邊緣封板焊接處(見圖3)，材料焊縫許用應力為313.6 MPa，安全系數為1.69；母材與HAZ區材料利用率分布(見圖4)，母材與HAZ區材料最大利用率0.86，發生在起吊安裝立柱焊接處。綜上所述，網側柜的強度及運營工況下疲勞強度滿足標準要求。

圖3 網側柜最大等效應力及位置

圖4 母材和HAZ材料利用率分布圖

2.2 柜體模態

為進一步詳細分析網側柜骨架及其真空斷路器安裝座、高壓互感器安裝板、支撐絕緣子安裝板、避雷器安裝板、高壓隔離開關安裝板等模態振動特性，以確保網側柜結構的安全及穩定性，使用ANSLS軟件選取1-40階、至少涵蓋1-100 Hz頻率范圍進行模態分析。

根據計算結果顯示：網側柜在不加約束情況下一階最低自振頻率發生在左側封板上為23.503 Hz(見圖5)；根據標準TB/T 3451-2016《動車組車體結構強度設計及試驗》中規定：車體剛度應確保整備狀態下車體的一階垂向彎曲自振頻率與轉向架的點頭和沉浮自振頻率的比值大于1.4或車體的一階垂向彎曲自振頻率不低于10 Hz。對比網側柜下方車體自振頻率，網側柜一階自振頻率為23.503 Hz，可有效避免與車體的共振發生。

圖5 網側柜一階自振模態頻率

2.3 振動長壽命分析

為了檢驗設備質量確保安全，必須模擬設備使用期內實際工作條件，進行適當的持久使用，根據標準IEC 61373-1 2010《鐵路應用——機車車輛設備—沖擊和振動試驗》要求，使用Hypermesh對網側柜以Ⅰ類-A級-車身裝-ASD頻譜進行模擬振動長壽命計算，計算結果網側柜縱向、橫向、垂向疲勞振動壽命均大于5 h(18 000 s)，激勵疲勞壽命云圖(見圖6、7、8)，縱向激勵疲勞壽命的垂向譜值為4.120 6×104(m/s2)2/Hz，橫向激勵疲勞壽命的垂向譜值為2.448×107(m/s2)2/Hz，垂向激勵疲勞壽命的垂向譜值為2.25×105(m/s2)2/Hz，根據模擬振動疲勞壽命分析顯示網側柜滿足IEC 61373-1 2010《鐵路應用——機車車輛設備—沖擊和振動試驗》疲勞壽命要求。

圖6 縱向激勵疲勞壽命云圖

圖7 橫向激勵疲勞壽命云圖

圖8 垂向激勵疲勞壽命云圖

3 模態試驗

根據標準TB/T 3502-2018《鐵道客車及動車組模態試驗方法及評定》對網側柜進行試驗，將網側柜至于橡膠墊上，使柜體盡可能的處于自由狀態，測試網側柜的固有屬性。試驗結果顯示柜體最低固有頻率為23.947 Hz，阻尼比為0.54%，發生在柜體菱形搓動后側墻底梁一階垂向彎曲，前面板上部2根橫梁一階橫向彎曲；網側柜試驗結果見圖9所示。試驗證明網側柜一階自振頻率23.947 Hz，大于車體的一階垂向彎曲自振頻率，網側柜模態滿足要求。

圖9 網側柜沖擊激勵測試結果

4 結語

通過對網側柜使用材料性能分析，結合靜強度、疲勞強度、模態、振動長壽命模擬仿真計算，并對網側柜進行了實際模態試驗驗證，結果表明網側柜結構設計的安全裕量大于標準要求。多維度的仿真計算分析可驗證網側柜結構設計的符合性，為后續電氣屏柜的設計具有指導意義。