机车前置式空调机组结构有限元分析

秦保柏，王立锋

（石家庄国祥运输设备有限公司，河北石家庄050035）

空调机组是铁路机车车辆必备的设备之一，铁路机车车辆的空调机组由蒸发器、冷凝器、压缩机等机电设备组成。一般情况下，这些设备集成安装在一箱体结构内，箱体结构再通过螺栓连接安装在车体上。机车空调机组要求箱体结构要在满足强度、疲劳寿命的条件下尽量减轻自重。机车车辆空调机组箱体结构一般由多块冲压、折边的不锈钢板点焊形成，国内空调机组的生产厂家多根据经验设计、制造箱体结构，由于不进行准确的结构分析，难免会有强度富裕、自重较大的问题，不适合在机车上使用。

运用ANSYS软件对石家庄国祥运输设备有限公司生产用于国外机车的前置式空调机组的箱体结构建立了有限元模型，对箱体结构在冲击载荷作用下的应力、疲劳载荷作用下的疲劳强度进行了分析与评价，并分析了空调机组的动态特性，计算了空调机组的固有频率及振型，为前置式空调机组的设计提供了参照。

1 前置式空调机组有限元模型

空调机组主要由箱体结构、支架及安装于箱体结构的机电设备组成（见图1和图2），箱体由1．5，2 mm不锈钢板经冲压折边点焊形成，支架由2，3，4 mm不锈钢板折边点焊形成，压缩机、冷凝器、蒸发器、送风机、冷凝风机、控制箱等机电设备通过螺栓连接安装在箱体的相关位置。箱体通过前后挡块及滑轨安装在支架上，拆除挡块，箱体可以沿滑轨抽出以利于维修。正常使用时，挡块限制箱体沿滑轨方向的运动，保证箱体、滑轨及支架为一整体，三者之间无相对运动。支架通过8个M12的螺栓连接在车体上。空调机组的外形尺寸见图1。

图1和图2为根据实际结构用ANSYS软件建立的有限元模型，该模型由26 664节点，23 819个单元组成，模型的建立、结构的连接及边界条件采用了以下处理方法：

（1）压缩机、冷凝器、蒸发器、蒸发风机、冷凝风机、电加热器及控制箱等机电设备均采用MASS21质量单元将其简化为质点，质点位置建立在设备的质心处，并将质点与箱体的连接处理成刚性连接。

（2）箱体结构及支架结构为薄板，建模时采用SHELL63壳单元建立网格，根据文献［3］的要求，SHELL63壳单元采用四边形结构，边长约20 mm。

（3）箱体结构、支架结构中的点焊连接采用共节点方式处理，即点焊处的两钢板仅在此节点相连。

挡块、滑轨与箱体的连接采用节点耦合方式实现，滑轨与箱体之间的连接节点采用垂向（Z轴方向）耦合与横向（Y轴方向）耦合，挡块与箱体采用纵向耦合（X轴方向）。图1中，X轴正向为车辆的行驶方向，Y轴位于水平面内，Z轴正向垂直向上［2］。

（4）支架与车体的螺栓连接，通过限制每一螺栓位置4节点3个方向的自由度实现约束。

图1 空调机组结构整体模型

图2 空调机组结构内部有限元模型

2 前置式空调机组的作用载荷

2．1 作用载荷

作用在前置式空调机组结构的载荷就是机车起动、制动及正常行驶时，结构自身质量及安装在箱体的机电设备的惯性力，由机车起动、制动及正常行驶时的加速度确定，静强度计算时各坐标轴所施加的冲击加速度见表1，共6种载荷工况，疲劳计算时各坐标轴所施加的加速度见表2，共3种载荷情况。

表1 静强度计算载荷［1］

表2 疲劳强度计算载荷［1］

其中，x轴为纵向，y轴为横向，z轴为垂向。纵向、横向、垂向是指空调机组安装在车体上时与机车车辆的纵向、横向和垂向分别相同的方向。

2．2 空调机组质量分布

（1）空调机组箱体及盖板质量为91．5 kg

（2）空调机组箱体内机电设备的质量见表3

表3 疲劳强度计算载荷

（3）支架的质量为45 kg空调机组总质量为225 kg。

3 计算结果

3．1 材料与许用应力

箱体结构采用SUS304，其材料的特性如下

（1）屈服强度：σs＝205 MPa

（2）抗拉强度：σb＝520 MPa

（3）密度：7 800 kg／m3

（5）弹性模量：E＝1．93×105MPa

（6）泊松比：μ＝0．3

（7）容许应力幅：［Sr］＝29 MPa（对应于107循环次数［3］）

3．2 静强度分析结果

根据文献［1］要求，计算各单元质心处钢板顶面与底面的最大等效应力，后处理阶段使用get命令得到单元质心的整体坐标，然后根据质心的整体坐标通过路径操作计算单元质心应力，所有单元质心处的应力用循环语句计算存于数组中，最后得到最大应力值［4］。初步计算结果表明载荷工况2，3，4略大于许用应力，载荷工况2的最大应力出现在压缩机与压缩腔的螺栓连接处，载荷工况3、4的最大应力出现在蒸发器与蒸发腔的螺栓连接处，因此需要对其结构进行改进。

3．2．1 改进前的分析结果

按照表1确定的载荷工况，在ANSYS中用命令流定义多重负载，一次完成运算，各载荷工况的最终运算结果列于表4。其中载荷工况2的最大应力为183 MPa，载荷工况3，4的最大应力为180 MPa。图3、图4为这两种工况下结构的应力云图。

表4 静强度计算结果 MPa

图3 改进前载荷工况2节点应力

3．2．2 改进后的分析结果

对其结构进行改进，压缩机腔底部加强槽钢板厚由原来的1．5 mm增加到2 mm，蒸发器与蒸发腔连接处的垫片板厚由原来的3 mm增加到4 mm。

再按照表1确定的载荷工况进行计算，各载荷工况的最终运算结果列于表5，其中载荷工况2的最大应力为176 MPa，载荷工况3的最大应力为175 MPa，静强度计算结果皆小于许用应力，且强度富裕量不大，说明结构设计合理。图5、图6为这两种工况下结构的应力云图。

表5 静强度计算结果 MPa

计算结果表明，对其结构进行改变后满足了强度要求，综合考虑到在满足结构强度条件的情况下，应尽量减少结构的自重，不宜再添加组件或增加板厚来减少应力。

图5 改进后载荷工况2节点应力

图6 改进后载荷工况3节点应力

3．3 疲劳强度分析

疲劳强度计算采用文献［1］～［3］要求，分别在3个坐标轴方向上施加表2所示载荷时，应力循环次数要达到107次不产生疲劳破坏。空调机组结构各钣金件的连接采用点焊，根据文献［3］的分类，其连接类别可归于G，应力循环次数为107次时，许用应力幅为Sr＝29 MPa。3种载荷情况下的应力幅按如下方法计算：

（1）用路径操作计算距点焊处焊角5 mm处的3个主应力［3］。

（2）表2载荷工况1作用下的应力幅为：

其中Str为计算位置顶面的应力幅，Sbr为计算位置底面的应力幅。

其中Str1为ax＝0．2g时计算位置顶面第1主应力；Str2为ax＝－0．2g时计算位置顶面第3主应力；S′tr1为ax＝－0．2g时计算位置顶面第1主应力；S′tr2为ax＝0．2g时计算位置顶面第3主应力。

其中Sbr1为ax＝0．2g时计算位置底面第1主应力；Sbr2为ax＝－0．2g时计算位置底面第3主应力；S′br1为ax＝－0．2g时计算位置底面第1主应力；S′br2为ax＝0．2g时计算位置底面第3主应力；ax为x方向的加速度。

（3）载荷工况2作用下的应力幅与载荷工况2作用下应力幅计算方法相同。

（4）载荷工况3作用下的应力幅计算

其中Str1为az时计算位置顶面第1主应力；Str2为az时计算位置顶面第1主应力；Sbr1为az＝1．2g时计算位置底面第1主应力；Sbr2为az＝1．2g时计算位置底面第1主应力。az为z方向的加速度。

表6 疲劳计算结果 MPa

表6为根据表2中3种载荷工况计算得到的应力幅，其中载荷工况3作用时应力幅最大为28 MPa，小于许用应力幅，疲劳计算满足使用要求。

4 动态特性分析

运用ANSYS软件中的模态分析模块，对前置式空调机组的结构进行了模态分析，得到的前5阶固有频率见表7，为避免产生共振提供了参考。前5阶的振型见图7，由图7可知，第1阶振型为整体结构沿横向（Y轴方向）的摆动，最大位移位于箱体的后端；第2阶振型为整体结构垂向（Z轴方向）的弯曲振动，最大位移位于箱体后端底部中间位置；第3阶振型仍为整体结构沿纵向（X轴方向）的振动，包含安装蒸发器的蒸发腔前端板局部振动模态，而且局部模态处的振幅最大；第4阶振型为整体结构沿垂向（Z轴方向）的振动，最大位移位于箱体的后端；第5阶振型为安装蒸发器的蒸发腔前端板纵向（X轴方向）的振动，最大位移在前端板的中间位置。

表7 前5阶固有频率

图7 前5阶振型图

5 结束语

建立了前置式空调机组结构的有限元模型，按照规范要求对计算结果进行后处理得到了结构相关位置的计算应力，根据计算结果对静强度超限的结构进行了改进，改进后的结构满足静强度及疲劳寿命要求，最后对前置式空调机组结构进行了模态分析，计算了结构的固有频率及振型，为结构优化和疲劳强度校核提供了理论依据。计算结果表明，结构设计合理、自重较轻；并且该机组已经装车运行，未发现不良。本方法对类似的设计与计算有一定的参考价值。

［1］PH－934－9006－1－Structural Mechanics［S］．

［2］EN 12663，2000 Railway applications－Structural requirements of railway vehicle bodies［S］．

［3］British Standards Institution．BS 7608，1993 Fatigue design and assessment of steel structures．British Standards Institution［S］．

［4］陈精一，蔡国中．电脑辅助工程分析ANSYS使用指南［M］．北京：中国铁道出版社，2001．