地铁列车直流变流器强度分析

成金娜，周劲松

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)

21世纪，城市轨道交通已成为每个国家及城市不可或缺的一部分。地铁车辆需满足安全性、稳定性、舒适性的要求，随着人民生活水平的日益提高，更是加大了对出行舒适性的要求。经研究表明：地铁列车下吊设备，包括高压电气设备、制动设备等在内的吊挂结构及吊挂方式的设计对车体振动影响很大[1]。为保证各下吊设备的性能指标，在批量生产之前，必须对辅助变流器各部件载荷进行校验，使其具有较高强度。宫岛等[2]研究并阐述了高速列车车下设备对整备状态下车体模态频率的影响机制，提出车下设备与车体模态的匹配原则。徐凤妹等[3]提出车下设备结构的设计原则以及影响因素。李丰等[4]计算了设备舱总体应力强度分布以评定其结构静强度，利用Goodman疲劳曲线图对设备舱疲劳强度进行了分析和计算。

本文利用有限元仿真分析手段对地铁吊挂设备的强度进行了分析研究并得出吊挂设备变流器的强度计算方法。

1 有限元模型建立

直流变流器悬挂于车辆底部，并通过吊脚的螺栓紧固与车体连接。机箱材料使用不锈钢冷轧钢带，需满足的强度要求为最大单元应力不超过材料许用应力360MPa，其内部结构如图1所示。整体结构采用二维单元并配合局部区域的一维单元对模型进行离散，节点数为748 960，单元数为1 494 557。有限元模型及部分细节图如图2、图3所示。将机箱的内部结构简化为质量单元，使用刚性单元连接在箱体上。建模时将较大连接件简化为一个质心，其质量与原件质量相等。使用mass单元进行模拟，并按照实际约束将吊座螺栓孔处固定。

图1 APS01机箱内部图

图2 整体有限元模型

图3 吊脚有限元模型

2 静强度分析计算

根据参考文献[5]中车体附属设备规定，机箱振动方向分为垂向、纵向和横向。在标准[5]中查找该地铁车辆属于P-3类型车辆，机箱吊挂在车体下部为I类A级设备。表1为校验载荷的8种工况，其中g为重力加速度。

表1 校验载荷工况

不锈钢冷轧钢带许用应力考虑1.15倍安全系数，则校验载荷工况极限如式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：Ry为屈服强度；RT为疲劳强度；S1为屈服强度安全系数；S2为疲劳强度安全系数。

经仿真后，得到8种工况下机箱的最大应力点及疲劳工况有限元分析云图，图4为工况2、工况3、工况4、工况7的有限元分析云图。

图4 机箱的有限元分析云图

将校验载荷所得结果列于表2。

由表2可知，在各个工况下机箱工作应力均小于材料的许用应力，校验载荷系数均大于1.15，该机箱满足静强度要求。

表2 校验载荷下应力值

3 疲劳强度分析计算

通过Goodman疲劳曲线图进行疲劳强度分析[6]，用屈服极限作为修正的Goodman疲劳极限图的边界，由Goodman线性经验公式，得到简化疲劳极限图。

3.1 疲劳工况的确定

查找车体附属设备疲劳工况的相关规定[5]，设置机箱的8个疲劳载荷工况见表3。

表3 疲劳载荷工况

3.2 绘制Goodman疲劳极限图

计算各工况下的最大主应力和最小主应力及平均应力。

最大主应力：

σmax=max(σ1,σ2,…,σn)

(3)

最小主应力：

σmin=min(σ1,σ2,…,σn)

那天，他看到了丸子像落汤鸡一般的窘态，觉得于心不忍，就把的士停在了她身边，想着自己可能免不了要听到一路抱怨了。

(4)

平均应力：

σm=(σmax+σmin)/2

(5)

式中：σ1，σ2，…，σn为机箱各点主应力。

在疲劳强度分析中，材料许用值需用安全系数修正。根据标准EN12663，在计算疲劳强度时，安全修正系数S3为1.5。

SUS304不锈钢的强度极限为540MPa，屈服极限为230MPa，对称循环下疲劳极限为200MPa。采用安全系数修正后，材料的许用强度极限为360 MPa，许用屈服极限为153 MPa，许用疲劳极限为133 MPa。

由此绘制SUS304的修正疲劳极限图如图5所示。

图5 SUS304材料Smith图形式修正的 Goodman疲劳极限图

3.3 疲劳工况有限元计算

将8个疲劳工况计算结果汇总于表4，工况9、工况11有限元分析云图如图6～图7所示。

表4 工况疲劳应力结果

图6 工况9有限元分析云图

图7 工况11有限元分析云图

3.4 疲劳强度校核

在HyperView中将8种工况下获得的平均应力和应力幅值绘制在Goodman疲劳极限曲线图中，含有所有单元疲劳应力的Goodman修正疲劳极限图如图8所示。

图8 含有所有单元疲劳应力的 Goodman修正疲劳极限图

4 结束语

本文通过建立机箱的有限元模型，完成了设备的静强度与疲劳强度的仿真计算，验证了该机箱结构满足强度要求。结果表明，在规定的三向冲击振动条件下，机箱的静强度和疲劳强度均满足设计要求；通过分析可知，最大应力集中在安装座连接部位，在后续设计中可以适当修改安装座连接部位的物理特性，以达到强度最优的目的。本文详细介绍了车下吊挂装置的强度计算步骤及方法，为今后计算车下设备的强度提供了便利。

参考文献：

[1] 申正宁.大电流连接器的热分析与热设计[D] .北京:北京邮电大学，2015.

[2] 宫岛,周劲松,孙文静,等. 高速列车车下设备模态匹配及试验研究[J]. 铁道学报,2014,36(10):13-20.

[3] 徐凤妹,劳世定. 客车车下设备吊挂方式的研究[J]. 铁道车辆,2009,47(4):12-14.

[4] 李丰,李守律,张林楠,等. 铁路客车设备安装梁强度分析[J]. 铁路计算机应用,2016,25(2):16-19.

[5] Railway application-structure requirement of railway vehicle bodies:EN12663-2010[S]. Brussels: CoertoEuropeen de Normalisation, 2010.

[6] 项彬,史建平,郭灵彦,等.铁路常用材料Goodman疲劳极限线图的绘制与应用[J].中国铁道科学,2002(4):74-78.