李春義 郭帥 張?zhí)煲?/p>

摘要：基于CREO-Simulate，以鐵道部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與歐標(biāo)EN12663為準(zhǔn)則，對(duì)時(shí)速160km動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車牽引通風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度仿真分析。考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與空間布置的緊湊性，考慮運(yùn)行過程中的振動(dòng)，并以實(shí)車工況進(jìn)行模擬，為制造工藝和生產(chǎn)施工提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)，并為動(dòng)車組牽引通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

Abstract： Based on CREO-Simulate， based on the relevant standards of the Ministry of Railways and the European standard EN12663， the structural design and strength simulation analysis of the traction ventilation duct of the power train with a speed of 160km is conducted. Considering the stability of structural design and the compactness of spatial arrangement， as well as the vibration during operation， simulation is carried out in real vehicle conditions， to provide design guidance for manufacturing process and production construction， and provide reference for the design of EMU traction ventilation system with reference.

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組動(dòng)力車;牽引通風(fēng)風(fēng)道;CREO;仿真分析

Key words： EMU power car;traction ventilation duct;CREO;simulation analysis

中圖分類號(hào)：U260.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）29-0191-03

0? 引言

時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車是新型動(dòng)力集中動(dòng)車組的交流傳動(dòng)電動(dòng)動(dòng)力車。該動(dòng)車組可運(yùn)用于既有線路，時(shí)速160公里，可以提高客運(yùn)列車的檔次和速度，同時(shí)與高鐵列車相比又具有很好的經(jīng)濟(jì)性，具有采購(gòu)成本低、運(yùn)行成本低、維護(hù)成本低的特點(diǎn)。

時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組牽引電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、持續(xù)點(diǎn)速度低、單機(jī)功率大和發(fā)熱量大等特點(diǎn)。牽引通風(fēng)風(fēng)道上部承接整個(gè)牽引通風(fēng)機(jī)的重量，下部連接牽引支風(fēng)道與牽引電機(jī)，在動(dòng)力車機(jī)械間通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置中處于關(guān)鍵位置。因此，動(dòng)力車牽引通風(fēng)風(fēng)道的強(qiáng)度與穩(wěn)定性會(huì)關(guān)系到通風(fēng)系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)是否可以順利運(yùn)行，進(jìn)而影響動(dòng)車組整車運(yùn)行的可靠性。本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組的牽引通風(fēng)風(fēng)道，運(yùn)用三維建模軟件CREO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用該軟件的后處理器進(jìn)行計(jì)算分析，分析其運(yùn)行各個(gè)工況的特點(diǎn)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保牽引通風(fēng)風(fēng)道安裝后的穩(wěn)定性，使動(dòng)車組順利運(yùn)行。

1? 風(fēng)道參數(shù)及設(shè)計(jì)

機(jī)車的牽引通風(fēng)系統(tǒng)主要是由牽引電機(jī)、頂蓋集氣風(fēng)道、過濾裝置、通風(fēng)道、牽引通風(fēng)機(jī)等組成。每臺(tái)牽引通風(fēng)機(jī)為同一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的兩臺(tái)牽引電機(jī)通風(fēng)冷卻，該通風(fēng)系統(tǒng)在風(fēng)道內(nèi)旁通一部分冷卻空氣為機(jī)械間通風(fēng)[1]。

牽引通風(fēng)風(fēng)道處于通風(fēng)系統(tǒng)中部關(guān)鍵位置，風(fēng)道由主風(fēng)道、風(fēng)道觀察口及密封條和緊固件組成。牽引通風(fēng)風(fēng)機(jī)重量為350kg，為減輕自重，結(jié)構(gòu)為框架式鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)，主材為AL6082，連接形式為焊接。

結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路為：大體定形-細(xì)部設(shè)計(jì)-整體驗(yàn)證，設(shè)計(jì)軟件運(yùn)用三維軟件CREO及AUTOCAD2019。設(shè)計(jì)方法如下：

①明確結(jié)構(gòu)自重，結(jié)合設(shè)備布置與機(jī)械間通風(fēng)系統(tǒng)空間要求，確定牽引通風(fēng)風(fēng)道的外部輪廓尺寸。

②確定與牽引通風(fēng)機(jī)的設(shè)備連接接口，連接位置需要局部加強(qiáng)。

③確定各種管道接口和預(yù)留口的位置：在溝通好技術(shù)細(xì)節(jié)后，確定排塵出口、觀察口、1#支風(fēng)道接口、1#支風(fēng)道接口等相關(guān)內(nèi)容。尤其注意設(shè)備的整體安裝與拆卸;應(yīng)保證檢修的便捷性與可行性。

④選材：主材為鋁合金，牌號(hào)為AL6082，在縱向立板與底封板上之設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，布置方式為均布。明確底封板選取鋁板的厚度及局部加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)布置方式[5];首端與尾端板及側(cè)封板的厚度;明確側(cè)封板、頂蓋板銜接處的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方式;明確風(fēng)道內(nèi)部設(shè)計(jì)的橫縱兩個(gè)方向的立板厚度。

⑤為保障風(fēng)道整體結(jié)構(gòu)的力流傳遞，在內(nèi)部設(shè)計(jì)一道弧形板，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2? 仿真與計(jì)算

使用Creo Parametric 2.0中的“模型”板塊，利用二維平面與三維建模的命令構(gòu)建風(fēng)道的三維模型，充分考慮裝配體的順序與合理性;模型檢測(cè)無誤后，使用“應(yīng)用程序”板塊，風(fēng)道模型自動(dòng)導(dǎo)入，打開“Simulate”，選擇“結(jié)構(gòu)模式”，按照邊界條件與實(shí)際工況設(shè)定約束與承載等參數(shù);而后打開“精細(xì)模型”，混合使用“AUTOGEM”與 “審閱幾何”，生成mesh文件，選擇四面體網(wǎng)格;劃分網(wǎng)格的過程中可以將風(fēng)道模型的主要承載區(qū)域網(wǎng)格細(xì)分，將非主承載區(qū)域的網(wǎng)格較粗處理，最終得出所需工況的分析結(jié)果，計(jì)算工況主要選取了靜載與急剎車兩種[4]。

振動(dòng)工況的模數(shù)選取6階，用于對(duì)比整車的頻率[3]。

2.1 靜載工況

使用Creo Parametric 2.0“分析結(jié)果”板塊，從中可以得出位移變化云圖與等效應(yīng)力分布云圖，確定等效應(yīng)力的最大值與其在結(jié)構(gòu)上的分布區(qū)域，并按照本文提到的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。

靜載工況考慮結(jié)構(gòu)自重與風(fēng)機(jī)重量。通過分析，最大應(yīng)力發(fā)生在風(fēng)道中部加強(qiáng)板的角隅處，σmax=86.45MPa，最大變形區(qū)域在風(fēng)機(jī)與風(fēng)道的安裝界面，Dmax=0.346mm。分析結(jié)果見圖2與圖3。

2.2 急剎車工況

機(jī)車的急剎車工況應(yīng)該考慮風(fēng)機(jī)重量、自重及整車慣性加速度對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊影響[5，6]。通過有限元分析，最大等效應(yīng)力發(fā)生在風(fēng)道中部加強(qiáng)襯板的角隅處，σmax=80.13MPa，最大變形區(qū)域在牽引通風(fēng)道與風(fēng)機(jī)的安裝界面處，Dmax=0.347mm。分析結(jié)果見圖4與圖5。

由仿真計(jì)算分析數(shù)據(jù)可知，牽引通風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)在風(fēng)道中部加強(qiáng)襯板處，會(huì)產(chǎn)生角隅應(yīng)力，但變形與應(yīng)力均在材料AL6062的安全范圍之內(nèi)，風(fēng)道的強(qiáng)度符合要求。

2.3 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性稱之為模態(tài)，每一個(gè)模態(tài)都有特定的模態(tài)振型、阻尼比和固有頻率。動(dòng)力集中動(dòng)車組的整車運(yùn)行中有多頻段的共振頻率。對(duì)牽引風(fēng)道進(jìn)行了約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，模數(shù)選取6，識(shí)別出風(fēng)道的前6階模態(tài)參數(shù)，并與整車性能要求的共振頻率段進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果如下：根據(jù)整車性能要求，風(fēng)道固有頻率不允許出現(xiàn)在10-15Hz、23-27Hz、48-52Hz范圍內(nèi)。計(jì)算結(jié)果顯示，牽引通風(fēng)風(fēng)道的各階頻率均避開了危險(xiǎn)共振頻段。

3? 結(jié)束語

通過以上的計(jì)算分析，牽引通風(fēng)風(fēng)道的設(shè)計(jì)執(zhí)行歐標(biāo)EN12663，滿足鋁合金結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求并緊湊布置動(dòng)車機(jī)械間設(shè)備，且規(guī)避了共振頻段，并可對(duì)結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化設(shè)計(jì)：在最大應(yīng)力出現(xiàn)處可采取工藝倒角措施防止應(yīng)力集中;在牽引風(fēng)道的下部筋板可根據(jù)螺栓孔的位置，適當(dāng)減小間距，防止加強(qiáng)筋板布置失效。

與文獻(xiàn)[1]相比較，將牽引通風(fēng)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、劃分網(wǎng)格與有限元分析有機(jī)統(tǒng)一于同一軟件平臺(tái)上，方便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析同時(shí)進(jìn)行，避免三維模型的導(dǎo)入導(dǎo)出，節(jié)省分析時(shí)間;與文獻(xiàn)[3]相比較，結(jié)合了傳統(tǒng)的制造工藝的基礎(chǔ)，并給出切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

新式動(dòng)車組的開發(fā)與研制發(fā)展迅猛，目前是針對(duì)160km動(dòng)力集中動(dòng)車組車型做出的計(jì)算仿真分析，可為動(dòng)車組車型的牽引風(fēng)道設(shè)計(jì)與安裝提供設(shè)計(jì)借鑒與經(jīng)驗(yàn)，更多車型牽引風(fēng)道的設(shè)計(jì)與研究有待后續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧紀(jì)辰，隋錫征，梁海濤，呂九龍. 時(shí)速160km動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車牽引通風(fēng)系統(tǒng)仿真分析與模擬試驗(yàn)[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2018（7）：20-24.

[2]王成國(guó)，藤本裕，石田弘明.200km/h動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能的仿真研究[C].鐵道科學(xué)技術(shù)新進(jìn)展——鐵道科學(xué)研究院五十五周年論文集.

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[5]EN 12663，軌道交通-鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求[S].BSI，2010.

[6]郭帥，張?zhí)煲?基于CREO-Simulate的內(nèi)燃機(jī)車燃油蓄電池箱設(shè)計(jì)方法[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2018（7）：15-19.