一种车载电源柜静强度分析方法的应用

文/卫玉·太原畅通致远铁路机车车辆电子有限公司

随着我国经济的高速增长，轨道交通行业得以快速发展，作为国家重要基础设施、国民经济大动脉和大众化交通工具，轨道车辆关键电子设备运行的安全性和可靠性得到越来越多的重视。电子设备的结构伴随着电力电子行业也得到蓬勃发展，其大部分是由钣金件折弯建立起来的。

本文介绍的电源柜是电力机车司机室内的关键电子设备，机柜结构以Q235A方管为骨架基础，再以1.5mm厚冷轧钢板和不锈钢钢板折弯后覆盖，整机结构按照EN 15085标准（轨道应用-轨道车辆和车辆部件的焊接认证体系）进行焊接。焊接完成后，运用有限元仿真软件对此电源柜进行静力学分析，检验其机械结构强度是否可靠。

研究问题

我们主要针对电源柜的静强度进行分析，柜体主体结构使用材料Q235A，根据GB/T 21563-2018《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》中的冲击试验条件I类A级车体安装标准，进行如下设置。

⑴峰值加速度（标称脉冲）取值。垂向：30m/s2；横向：30 m/s2；纵向：50m/s2。

⑵考虑储能柜本身的质量以及机车启动时的牵引和紧急制动，柜体在机车运行时受到垂向、横向、纵向冲击以及振动影响，确定了以下五种极限工况（柜体重力与惯性力的耦合）。

1)第一种工况：柜体重力mg+垂向惯性力-m·30（y轴负方向）。

2)第二种工况：柜体重力mg+横向惯性力-m·30（z轴负方向）。

3)第三种工况：柜体重力mg+横向惯性力m·30（z轴正方向）。

4)第四种工况：柜体重力mg+纵向惯性力-m·50（x轴负方向）。

5)第五种工况：柜体重力mg+纵向惯性力m·50（x轴正方向）。

由于轨道的高低不平顺引起了机车垂直方向的振动，第一种工况考虑的是储能柜自身的重力与垂直方向惯性力的耦合。由于机车通过道岔、曲线，机车本身又具有蛇形的趋势以及轨道的水平不平顺都会产生横向振动，这样机车内的储能柜体就会受到冲击，第二、三种工况就是考虑这种情形的，即电源柜自身的重力与横向惯性力的耦合。第四、五种工况分别考虑的是机车的紧急制动和启动时的牵引。

分析过程

已知技术参数：有限元柜体材料Q235A，重量为95.30kg；模块盒重量为15kg；电源插件单个重量为25kg，共4个。根据五种工况的条件进行试验，得到各工况下的应力云图和总体变形云图分别见图1～图5，各个工况条件下的静强度分析结果见表1。

图1 工况一下柜体的应力云图和总体变形云图

图2 工况二下柜体的应力云图和总体变形云图

图3 工况三下柜体的应力云图和总体变形云图

图4 工况四下柜体的应力云图和总体变形云图

图5 工况五下柜体的应力云图和总体变形云图

表1 柜体在各个工况条件下的静强度分析结果

分析与结论

从表1有限元分析结果可知：

⑴电源柜在五种工况条件下，材料的最大应力值均小于Q235A的屈服极限235MPa，最大位移值均太小，可以忽略不计。

⑵储能柜体的结构设计、强度和刚度都满足GB/T 21563-2018《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》中的相关要求。