李福祿 王立夫

(中車唐山機車車輛有限公司制造技術(shù)中心 河北 唐山 063035)

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CRH3型動車組變流器冷卻單元風(fēng)箱設(shè)計改進

李福祿 王立夫

(中車唐山機車車輛有限公司制造技術(shù)中心 河北 唐山 063035)

介紹了一種利用計算機模擬仿真結(jié)合地面工況模擬手段對CRH3型高速動車組變流器冷卻單元風(fēng)箱進行設(shè)計改進的方法。

計算機模擬；動車組；冷卻單元風(fēng)箱

1 結(jié)構(gòu)簡介

CRH3型動車組是在德國西門子公司研發(fā)的ICE系列時速300 km高速動車組平臺上發(fā)展起來的，采用電力牽引交流傳動方式，4動4拖8輛編組，由2個牽引單元組成，每個牽引單元由2動2拖構(gòu)成。

動車組具有良好的氣動外形，兩端為司機室，列車正常運行時由前端司機室操縱。其后續(xù)車型CRH380BL型動車組則是16輛長編組，其動力分布形式?jīng)]有變化。以16節(jié)車廂的長編組動車組為例，牽引變流器及冷卻系統(tǒng)共8個，分別懸掛在動力車廂EC01、VC03、IC06、IC08、BC09、IC11、IC14、EC16的車底(見圖1)。車下變流器冷卻單元是為車下變流器提供冷卻功能的部件，通常包括散熱器、帶電機和風(fēng)扇的風(fēng)箱、安裝框架、電機連接器或接線盒等部件(見圖2)。牽引變流器的冷卻單元通常還包含水系統(tǒng)，如水泵、膨脹油箱、溫度傳感器、壓力傳感器、蝶閥、水管路等。變流器與冷卻單元用蝶閥和管路連接，通過冷卻風(fēng)扇提供的空氣流帶走變流器產(chǎn)生的熱量，風(fēng)箱是承載電機和風(fēng)扇并提供導(dǎo)流作用的部件，其原結(jié)構(gòu)為鋁合金薄板焊接箱體結(jié)構(gòu)[1]。在高級修過程中該結(jié)構(gòu)有局部開裂的情況發(fā)生(見圖3)。下面提出一種改進結(jié)構(gòu)并對變流器冷卻單元風(fēng)箱進行基于ANSYS的強度仿真分析和地面振動測試。

圖1 牽引變流器冷卻系統(tǒng)在各車上的分布

圖2 變流器冷卻單元結(jié)構(gòu)

圖3 風(fēng)機箱體裂紋部位

2 原因分析

為了找到風(fēng)箱開裂的原因，對其進行了地面試驗臺振動試驗，分別取變流器冷卻單元風(fēng)箱下方地板連接處內(nèi)外兩側(cè)、風(fēng)箱電機安裝板、法蘭板、風(fēng)箱箱體、冷卻單元支架、風(fēng)箱箱體上表面以及電機上方等位置，測點布置如圖4所示。風(fēng)機分別在低速和高速下運行，各個測點加速度如表1所示。

圖4 測點布置示意圖

表1 不同工況各測點加速度估計值 /(m·s-2)

由測試結(jié)果可見，高速工作時底板連接處、電機安裝板橫向、法蘭板橫向和垂向、風(fēng)箱垂向、風(fēng)箱頂垂向的加速度值較大，說明這些測點位置的振動沖擊較大。

風(fēng)箱為3 mm厚的EN AW 5754鋁板，整體剛度不夠，中間2塊橫向和縱向的寬幅筋板則為2 mm厚的同材質(zhì)鋁板插接后雙面段焊打膠連接，剛度亦不足，且電機與風(fēng)箱相接處孔的周圍局部剛度不足，電機隨變流器冷卻液溫度改變轉(zhuǎn)速帶來交變振動、氣動載荷[2]，導(dǎo)致疲勞破壞。

3 結(jié)構(gòu)改進和計算

針對振動試驗進行了以下結(jié)構(gòu)改進，以改善整體剛度不足的問題：

(1) 取消中間隔板的焊接，將中部隔板分為3塊(原橫隔板一分為二，鉚接在立板上)，翻邊寬度由25 mm增加到30 mm；

(2) 中部隔板厚度由2 mm增加到4 mm；

(3) 將底部橫梁由3 mm厚的折彎鋁板更改為4 mm×18 mm×30 mm的角鋁型材；

(4) 風(fēng)箱安裝圓孔周圍各增加3條3 mm厚不銹鋼墊板；

(5) 在箱體底部四角均焊接4 mm厚的補強鋁筋板；

(6) 中部隔板與箱體鉚接處補焊4 mm厚的鋁筋板。

為了驗證新結(jié)構(gòu)在強度方面的改進效果，采用ANSYS進行了模擬仿真計算。模型采用的是殼體單元，幾何模型如圖5所示，變流器風(fēng)箱原結(jié)構(gòu)規(guī)模為519 788個單元和526 254個節(jié)點；補強結(jié)構(gòu)規(guī)模為541 262個單元和549 177個節(jié)點[3]。

圖5 原結(jié)構(gòu)(左)和補強結(jié)構(gòu)(右)有限元模型圖

變流器箱體單元材料為EN AW 5754，其屈服強度為80 MPa[4]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663—1—2010《鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》，變流器風(fēng)箱單元在橫向、縱向、垂向分別施加1g的慣性載荷，在變流器與橡膠連接塊的連接面處施加垂向約束，在橡膠連接塊的兩端施加橫向和縱向約束，其中相接連接塊用梁單元(Beam 188)進行模擬。關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力如圖6、圖7、圖8所示。

(a)原方案 (b)補強方案 圖6 縱向施加1g慣性載荷關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力云圖

(a)原方案 (b)補強方案圖7 橫向施加1g慣性載荷關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力云圖

(a)原方案 (b)補強方案圖8 垂向施加1g慣性載荷關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力云圖

通過有限元仿真計算，得出如下結(jié)論：(1)原設(shè)計方案剛度小，存在應(yīng)力集中點，并與發(fā)生故障的部位一致；

(2)補強方案增加了箱體的剛度，明顯降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值。

為了驗證計算結(jié)果，在振動試驗臺進行了樣品的振動對比試驗[5]，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同工況各測點加速度估計值 /(m·s-2)

從表2可以看出，補強方案中各測點幅值普遍小于原結(jié)構(gòu)中相應(yīng)測點處幅值。改進后電機測點處，工作頻率對應(yīng)幅值明顯小于原結(jié)構(gòu)中對應(yīng)測點幅值，說明結(jié)構(gòu)改進合理。

實際運用中，鐵路裝備重要部件的更改還要經(jīng)過線路動應(yīng)力測試和裝車線路運營考核等環(huán)節(jié)才可以正式定型并投入批量生產(chǎn)[5]，不過在理論計算和試驗臺對比試驗階段已最大程度地模擬了實際運營環(huán)境，縮短了設(shè)計定型到批量生產(chǎn)的周期，極大降低了線路運營考核不合格帶來的結(jié)構(gòu)再次更改的可能性，因此理論計算結(jié)合試驗臺對比試驗的設(shè)計方法在動車組設(shè)計中被大量應(yīng)用。

4 結(jié)束語

截至目前，經(jīng)過改進后的風(fēng)箱在線路運營考核中未再發(fā)生前述故障，說明改進后的結(jié)構(gòu)合理，新結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于后續(xù)車輛。

通過振動試驗找出問題根源，針對問題進行設(shè)計改進，利用計算機有限元方法模擬仿真計算進行結(jié)構(gòu)校核，然后制作樣件進行振動試驗驗證計算結(jié)果，對CRH3型動車組變流器冷卻單元風(fēng)箱設(shè)計結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義，這種方法也為其他部件的設(shè)計和改進提供了技術(shù)參考。

[1] 徐 煉，馬紀(jì)軍，范樂天，等. 高速列車車下懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報，33(5)：11-13.

[2] 高 峰，楊永勤，宿 崇，等.高速動車組制動風(fēng)缸吊裝結(jié)構(gòu)振動特性分析[J].大連交通大學(xué)報，2013，34(5)：20-24.

[3] 李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[4] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,1991.

[5] 范樂天，管全梅，高 軍，等.高速列車車下設(shè)備艙模塊化彈性吊裝設(shè)計[J].大連交通大學(xué)學(xué)報，2012，33(6)：23-26.□

(編輯：李琳琳)

2095-5251(2016)06-0021-02

2016-04-18

李福祿(1983-)，男，本科學(xué)歷，工程師，從事動車組裝、調(diào)試、檢修工作。

U270.2

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