基于铆接结构的车下设备箱设计

薛浩飞 王长昌 徐先伟 周姝

摘 要：为解决车下设备箱在生产过程中需耗费大量工时进行焊接矫形的问题，提出一种基于铆接结构车下设备箱的设计，并通过有限元仿真计算进行验证，为城市轨道交通车下设备箱的研发提供一种设计新思路。

关键词：城市轨道交通;铆接结构;车下设备箱;牵引逆变器;设计

中图分类号：U270.38

本文所述的车下设备箱主要包括城市轨道交通车辆下悬挂的电气牵引与辅助系统设备箱，如牵引逆变器箱、高压电气箱、充电机箱、辅助逆变器箱等。车下设备箱作为城市轨道交通车辆的关键部件，其结构可靠性对车辆的安全运行起着至关重要的作用。传统的车下设备箱箱体一般采用焊接结构或焊接结构与铆接结构相结合的方式，这2种方式都不可避免地存在产品焊接变形的现象，为此不得不花费大量的时间进行表面校形，以确保箱体的平面度和尺寸精度。为解决上述问题，提出一种基于铆接结构的车下设备箱设计，下面以牵引系统中的牵引逆变器为例进行阐述。

1 基于铆接结构的牵引逆变器

1.1 牵引逆变器的基本组成

牵引逆变器主要由牵引逆变器箱体、变流器模块和牵引控制器等组成，如图1所示。其中，牵引逆变器箱体起着承载和固定的作用;变流器模块和牵引控制器均采用抽屉式结构，便于在牵引逆变器箱体上进行安装、检修和维护。

1.2 牵引逆变器箱体的基本组成

牵引变流器箱体主要由铆接箱体、维护门和模块滑道等组成，如图2所示。其中，铆接箱体主要由板材通过铆钉连接而成;维护门的设计是为了便于产品的日常检修和维护;模块滑道固定于箱体底梁，采用摩擦系数较低的尼龙材料制作而成，使得变流器模块的推拉较为顺畅，便于变流器模块的安装与拆卸。

1.3 铆接箱体的结构说明

牵引变流器的铆接箱体结构主要由吊耳、顶板、前板、后板组件、侧板组件、隔框、隔板、底板、底梁等组成，如图3所示。所有零部件均采用板材折弯而成，板材的搭接位置都均匀地设置了铆接孔，并采用密封型铆钉进行连接。同时，在顶板和底板的边缘部位设置了Z型折弯结构，从而实现了各面板以及吊耳的良好衔接，其典型结构如图4所示。吊耳采用螺栓、蝶形垫圈和全金属六角锁紧螺母固定于箱体顶部，并进行打胶处理以保证密封。

该牵引变流器箱体的主要材质为不锈钢SUS304，门板材质为铝合金5083H111。箱体各零部件的材质及板厚详见表1。

该箱体主要采用铆钉进行连接，节约了焊接工艺所需的矫形时间，产品平整度较高，尺寸精度更易于保证，提高了产品的生产效率。

2 结构有限元仿真计算

为验证该结构的可靠性，参照EN 61373： 2010 《Railway applications-Rolling stock equipment-Shock and vibration tests》、EN 12663：2010《Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》及DVS 1612：2014《Design and endurance strength evaluation for welded steel joints in railway vehicle construction》的相关规定，对此牵引逆变器箱体进行静强度和疲劳强度仿真计算。

2.1 强度计算工况

该产品计算工况分为静强度工况和疲劳强度工况，工况参数分别如表2和表3所示。

2.2 网格划分和材料属性设置

根据牵引逆变器的结构特点，主要采用壳单元模拟，单元大小约为10mm，厚度取设计值（即表1中的板厚）。整个模型单元共366 691个，节点共226 918个，有限元模型如图5所示。牵引逆变器的电气部件采用质量单元进行模拟，螺栓采用梁单元进行模拟，其余连接处均采用耦合约束进行简化。

牵引逆变器箱的材料属性如表4所示，将其赋予有限元模型中相应的网格单元。

2.3 加载及约束方式

各工况以加速度形式对整个模型施加惯性载荷，约束安装座螺栓孔处X、Y、Z 3个平动自由度。

2.4 计算结果

静强度计算结果显示，牵引逆变器箱在工况4出现最大静态应力：125.2 MPa，位于隔框内侧圆弧部位，详见图6，将该处的静态應力值除以不锈钢的许用应力值205 MPa，得到该处材料的利用系数为0.61，其值小于1，因此牵引逆变器箱的静强度是合格的。

疲劳强度结果显示，牵引逆变器箱疲劳强度利用系数S最高的位置出现在吊耳内侧的焊缝处，详见

图7。该处的利用系数值为0.40，小于0.75。通过查询EN 15085-3 ：2007《铁路车辆及其部件的焊接 - 第3部分：设计要求》可知，其应力等级为“低”（表5），牵引逆变器箱吊耳的安全等级为“中” ;再根据EN 15085-3：2007标准对焊接性能等级的规定（表6），吊耳处的焊接性能等级应设计为CPC3，吊耳焊缝按照CPC3的性能等级进行焊接施工和质量控制，其抗疲劳性能满足使用要求，安全可靠。

由于在实际生产过程中CPC3的性能非常容易实现，一般情况下，为进一步提高焊缝的可靠性，对车下设备的吊耳焊接均设计为性能等级更高的CPC2焊缝。CPC2的焊缝相比于CPC3的焊缝，施工过程基本一致，但其质量控制更加严格，故性能更佳，焊缝可靠性更高。因此，牵引逆变器箱吊耳内侧焊缝的抗疲劳性能更高，其疲劳强度是合格的。

吊耳内侧焊缝是整个产品中疲劳强度利用系数最高的部位，其疲劳强度合格，那么利用系数更低的其余焊缝及母材的疲劳强度也应合格。由此可见，整个牵引逆变器箱的疲劳强度均为合格。

3 结语

本文以牽引逆变器箱为例，介绍了一种基于铆接结构的车下设备箱，其结构设计巧妙，静强度和疲劳强度均满足相关标准要求。相比传统的焊接箱体和焊接结构与铆接结构相结合的箱体，具有平整度较高、尺寸精度更易于保证、生产效率较高的优点。

本文所述的铆接结构可广泛应用于城市轨道交通车辆的车下设备箱。与牵引逆变器箱相比，其余车下设备的复杂程度基本相当，通过其内部功能器件的合理化布置和箱体结构的合理化设计，铆接结构同样可用于高压电气箱、充电机箱和辅助逆变器箱等车下设备箱。

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收稿日期 2019-11-27

责任编辑 党选丽

Design of module box under vehicle floor based on riveted structure

Xue Haofei， Wang Changchang， Xu Xianwei， et al.

Abstract： In order to solve the problem that module box under vehicle floor needs a lot of working hours to be welded and structured in the manufacturing process， this paper proposes and verifies a design of module box under vehicle floor based on riveted structure by finite element simulation calculation， providing a new design idea for the research and development of module box under vehicle floor of urban rail transit.

Keywords： urban rail transit， riveted structure， under vehicle floor module box， traction inverter， design