地铁车下设备吊挂结构强度分析及优化

2018-06-25仲崇成刘元君何佳捷阮大卫

现代商贸工业 2018年21期

仲崇成刘元君何佳捷阮大卫

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000)

1 概述

地铁作为一种城市轨道交通类型，具有运输能力强、高速、准时、安全、污染少、节省空间等优点。近年来，地铁的建设和运营取得了迅猛的发展。地铁车辆作为地铁运输体系中的关键装备，对车辆及其零部件的安全评估也就越来越重要。地铁车辆有很多的车下吊挂设备，这些设备的吊点往往不具备直接安装到车体的条件，所以需要通过转接梁连接到车体上，这种转接梁式的吊挂结构起到了承上启下的作用。对这些吊挂结构的强度的评估和优化对地铁的安全运营具有重要的意义。逆变器是某地铁车下吊挂设备中质量最大的设备，为此以逆变器为例对吊挂结构进行分析和优化。

2 吊挂结构有限元模型建立

2.1 几何模型

逆变器设备重865kg，为8点吊挂，车体横向方向6个，纵向2个，每个吊点都是用螺栓、垫片和双螺母将逆变器吊耳与转接梁紧固连接。转接梁和地板之间通过21个螺栓、螺母、垫片连接，转接梁上有过孔。与逆变器相关的转接梁共有6根，横纵排列。

2.2 有限元模型

为保证计算精度，有限元模型包括了转接梁及相关的所有零部件，其中转接梁、安装座、螺栓、螺母、垫片等均采用六面体实体单元，地板、边梁、逆变器等采用壳单元。吊挂点附近区域单元细化。模型共59万节点，45万单元。有限元模型如图1。

a. 整体模型

b. 局部放大图1 有限元模型

2.3 材料属性

转接梁和底板采用铝型材6082-T6，其余零部件均采用不锈钢304L，材料属性如表1所示。

表1 材料性能

2.4 计算工况和边界条件

根据铁路车辆车体结构的相关标准规定，车下设备静强度需满足纵向±3g、横向±1g、垂向(1±C)g载荷及载荷组合要求，疲劳强度需满足纵向±0.15g、横向±0.15g、垂向(1±0.15g)载荷及载荷组合要求。根据逆变器在车体上的安装位置确定C取0.5。

由设备的特点和标准要求，静强度计算和疲劳强度计算分别有5种和8种工况，如表2和表3所示。

3 仿真结果及分析

3.1 静强度计算结果

表4是静强度计算结果，可以看出各工况应力相差不大，其中工况2稍大些，安全系数1.33，图2是此工况的应力云图，应力最大点在转接梁上表面吊点附近。

表2 静强度计算工况

表3 疲劳计算工况

表4 静强度计算结果

图2 静强度工况二等效应力云图

3.2 疲劳强度计算结果

选取所有单元在八个工况下的应力最大值σmax与最小值σmin来计算该单元的平均应力σm和应力幅σa。具体计算公式如下：

将疲劳强度表示在疲劳极限图中，以此判断该单元的应力值是否满足结构的疲劳强度。图3是疲劳极限图，所有单元都在母材疲劳极限内。结构的疲劳安全系数是1.19。

图3 疲劳极限图

3.3 优化方案

根据静强度和疲劳强度的分析，发现所有工况的最大应力都在转接梁的上表面，说明此处为结构的薄弱区域。应力大的原因是加载后，在过孔周边产生了弯曲应力。为降低弯曲应力，应该增大承载面积，降低局部载荷。考虑工艺、成本、安装空间等因素制定优化方案，将直径30mm平垫片(厚度3mm)改为(55mm×30mm×5mm )的垫块，中间螺栓过孔。