城轨车辆用辅助电源箱轻量化设计与研究

冯云明，刘亮，任逊

（南京中车浦镇海泰制动设备有限公司，南京 211800）

0 引言

随着国内轨道交通产业迅速发展，对车辆装备的节能、绿色、环保、高效提出更高要求。作为铁路科技创新发展方向和重点任务之一，车辆及设备轻量化问题日益受到重视。轻量化对于车辆减重、提速、降噪、降低能源消耗及设备寿命，具有特别重要的现实意义[1]。

对设备材料进行替代优化是降低设计质量的有效手段。铝合金的材料密度约为钢材的1/3，同时具有高比强度、抗腐蚀性、高力学性能等优势，该材料的替代应用对减轻车辆设备自重有利，已在成熟运用[2-3]。

辅助电源系统通过箱体集成并悬挂在车体底部，作为城轨车辆供电系统的核心设备，在供电故障时为车辆设备提供电源。因此，在实现减重目标的同时需要确保产品结构强度等可靠性设计。

1 辅助电源箱结构设计

辅助电源系统包括箱体与主电路两部分。箱体作为整个系统的关键承载件与车辆连接，具有良好的结构强度、抗震性、耐腐蚀性，可以保证辅助电源系统在使用过程中的安全。为实现轻量化设计，箱体材质为铝合金，各组成部分由不同厚度的板材焊接而成，结构形式如图1所示。其中：蒙皮厚度为3 mm，吊耳厚度为6 mm，具体材料性能如表1所示。

表1 铝合金箱体材料性能 MPa

图1 辅助电源箱结构示意图

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

辅助电源箱体为钣金件，材料的厚度与长度和宽度相比小得多，因此在有限元建模时采用壳单元[2]。采用整体模型进行有限元网格划分，有限元模型如图2所示。主电路模块作为负载使用质量点单元模拟功能模块。对箱体顶部吊耳的4个安装点进行约束，节点数为135 340，单元数为133 218，箱体主要采用shell单元，螺栓采用beam单元。

图2 辅助电源箱有限元模型

2.2 静强度分析

根据GB/T 21563标准，箱体结构在纵向5g、横向3g、垂向3g冲击下最大应力允许超过材料屈服强度，但不能超过材料的抗拉强度。但秉承更高的安靠可靠性理念，在箱体结构设计时用材料的屈服强度去评估箱体的可靠性。

根据GB/T 21563，确定静强度计算工况如表2所示。表2中，g为重力加速度，取值为9.8 m/s2。

表2 静强度计算工况

经仿真计算，各工况静强度计算结果如表3所示。通过数据分析，最大应力小于材料的屈服强度，安全系数高，箱体具有较高的强度储备。

表3 静强度计算结果

2.3 疲劳强度分析

考虑到铝合金的疲劳强度比碳钢低，且焊接结构传力焊缝的抗疲劳能力明显低于构成母材，需要对铝合金箱体的疲劳特性进行评估[4]。本文依据标准《IIW document IIW-2259-15 ex XIII-2460-13/XV-1330-03 焊接接头和部件疲劳设计要求》中的铝合金焊接接头的许用疲劳强度及对应的S-N曲线，采用专业的疲劳计算软件对辅助电源箱进行疲劳计算。软件内集成了S-N曲线，计算过程中，软件将自动通过S-N曲线公式推算出在规定循环次数下的许用疲劳极限。该软件的疲劳评估方法主要依据标准EN 1993-1-9中规定的法向应力法，公式如下：

焊缝疲劳利用率:UFN=1/αN，疲劳利用率小于1即说明疲劳强度满足设计要求。式中其余代号不作赘述。

根据EN12663，疲劳强度计算工况如表4所示。表4中，g为重力加速度，取值为9.8 m/s2。

表4 疲劳强度计算工况

经仿真计算，在各种工况作用下的疲劳计算结果归纳如表5所示。

表5 疲劳强度计算结果

通过计算结果可以得出整个箱体疲劳利用率最大值为0.285，小于0.75。根据EN 15085中关于应力等级的定义，整个辅助电源箱的应力等级为低。辅助电源箱的疲劳强度满足设计要求。

2.4 模态分析

车辆运行过程中，因轮轨接触及车辆自身振动引起的设备振动，会造成设备损坏甚至功能失效。通过模态分析确定轻量化设计后辅助电源箱的振动特性和固有频率是一种有效手段。本文针对辅助电源箱计算了前20阶振动模态，采用Block Lanczos模态提取方法[5]取前3阶主要频率及相应振型如图3、表6所示。通过振型图及表数据分析，辅助电源箱能够满足车辆安全运行的要求。

图3 模态振型图

表6 模态前三阶计算结果

3 试验验证

为了研究并验证辅助电源箱能够在振动和冲击环境下结构与性能稳定且满足轨道交通车辆设备的寿命要求，进行了振动冲击试验。振动冲击试验按照标准GB/T 21563的Ⅰ类B级要求执行，主要试验项点包含功能性试验、模拟长寿命试验和冲击试验，试验安装状态如图4所示。试验过程中，各项性能参数测试正常。试验结束后，对比试验前后产品外观无变化。

图4 辅助电源箱试验安装状态

4 结论

本文基于“以铝代钢”手段对轨道车辆用辅助电源箱进行了轻量化设计：1）轻量化设计的铝合金箱体整体减重约15 kg，实现了轻量化的目标；2）由有限元分析结果得知，静强度、疲劳强度及振动特性能够满足安全运行要求；3）经轻量化设计的辅助电源箱满足车辆设备的冲击振动要求，后续将持续跟踪装车后的运用考核验证效果。