呂晉曉，董四輝,闞京波

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.中車大連機(jī)車研究所 安防事業(yè)部，遼寧 大連 116028)

0 引 言

德鐵(DB)混合動(dòng)力機(jī)車由中車株洲電力機(jī)車有限公司與德國(guó)聯(lián)邦鐵路公司(DB)聯(lián)合研發(fā)，采用內(nèi)燃機(jī)和鈦酸鋰動(dòng)力電池雙牽引動(dòng)力源模式，文中的蓄電池箱是為內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)電源提供的的一種容器。一般的，蓄電池箱用于單獨(dú)存放小容量蓄電池且安裝于車底架，強(qiáng)度要求不高設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，但該機(jī)車車型布局緊湊結(jié)構(gòu)相對(duì)特殊，需要在蓄電池周圍設(shè)置開(kāi)關(guān)設(shè)備且安放于車廂頂部，同時(shí)大容量的蓄電池相比小容量蓄電池質(zhì)量也會(huì)更大。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜的程度和電池需要的安全運(yùn)行環(huán)境對(duì)該型蓄電池箱的設(shè)計(jì)有了更高的要求。筆者通過(guò)對(duì)該型蓄電池箱內(nèi)的器件布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型仿真、分析計(jì)算，得出相對(duì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到在保證產(chǎn)品整體功能的前提下解決各零部件易于安裝、便于檢修、輕量化和運(yùn)行穩(wěn)定可靠的目的。

1 內(nèi)燃機(jī)蓄電池箱器件組成

內(nèi)燃機(jī)蓄電池箱主要組成器件有：蓄電池箱殼體、鉛酸蓄電池單體、隔離開(kāi)關(guān)、熔斷器、接觸器、線纜、五金配件。

鉛酸蓄電池型號(hào)為(Optima D31A),單體電壓12 V，低溫啟動(dòng)電流為900 A,儲(chǔ)備容量155 min，單體重量27.2 kg，外形尺寸325×165×238(mm)。電池單體外形如圖1所示，采用兩串兩并接線方式的接線示意圖如圖2所示。

圖1 蓄電池單體外形 圖2 蓄電池接線圖

由蓄電池接線示意圖得知，4個(gè)蓄電池單體在蓄電池箱內(nèi)應(yīng)當(dāng)呈矩陣式排列最為節(jié)省空間同時(shí)易于接線。由于隔離開(kāi)關(guān)、熔斷器、接觸器體積均小于蓄電池單體，因此將各器件與電池單體布置在一個(gè)水平面可合理利用車內(nèi)空間。各器件水平布置圖如圖3。

圖3 器件水平布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該型蓄電池箱結(jié)構(gòu)為框架與鈑金焊接組合式設(shè)計(jì)[1]，相比單一框架式設(shè)計(jì)更加輕量化，較單一鈑金焊接式設(shè)計(jì)強(qiáng)度更高。箱體外形尺寸圖如圖4所示。

圖4 箱體外形尺寸圖

箱體材質(zhì)為316不銹鋼(0Cr17Ni12Mo2)，結(jié)構(gòu)主要組成部分有：底部安裝托架、主機(jī)殼、通風(fēng)窗、上頂蓋、電池固定架。底部安裝托架位于蓄電池箱底部，通過(guò)4個(gè)螺栓固定點(diǎn)將整個(gè)蓄電池箱固定在車體內(nèi)提供的托舉式安裝位上。如圖5所示。

圖5 主機(jī)殼與底部安裝托架 圖6 蓄電池艙與開(kāi)關(guān)艙

主機(jī)殼為鈑金折彎件分為蓄電池艙和開(kāi)關(guān)艙兩個(gè)獨(dú)立部分，其目的是解決鉛酸蓄電池充電時(shí)產(chǎn)生的氫氣遇明火發(fā)生爆炸問(wèn)題。主機(jī)殼整體焊接在底部安裝托架上，內(nèi)部提供了各元器件的安裝點(diǎn)，頂部四角外邊沿安裝有吊環(huán)供蓄電池箱安裝、運(yùn)輸以及檢修用。電池固定架通過(guò)栓接固定在主機(jī)殼內(nèi)蓄電池限位槽的兩側(cè)，通過(guò)提供一定的下壓力使電池在箱內(nèi)不產(chǎn)生相對(duì)位移，避免電池磕碰引發(fā)事故。如圖6所示。

主機(jī)殼四周設(shè)有通風(fēng)窗，通風(fēng)窗與主機(jī)殼栓接，在能夠防止一定箱外物體侵入的前提下為箱內(nèi)提供流動(dòng)空氣。主機(jī)殼頂部設(shè)有頂蓋，頂蓋通過(guò)四周設(shè)置的壓緊鎖固定在主機(jī)殼頂部的門框上，檢修和安裝時(shí)上頂蓋可完整拆卸下來(lái)以提供充足的作業(yè)空間。如圖7所示。

圖7 主機(jī)殼通風(fēng)窗與上頂蓋 圖8 簡(jiǎn)化后的箱體模型

3 仿真分析

仿真分析運(yùn)用SolidWorks Simulation仿真平臺(tái)對(duì)蓄電池箱整體鋼結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力和耐疲勞程度進(jìn)行仿真檢驗(yàn)[2]，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，為原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化提供理論依據(jù)。仿真之前進(jìn)行箱體模型簡(jiǎn)易化，為減小仿真軟件解算器負(fù)擔(dān)，應(yīng)當(dāng)將不會(huì)影響箱體強(qiáng)度的零部件拆除，如側(cè)部通風(fēng)窗、頂部門板、門鎖、扣手、電池組、隔離開(kāi)關(guān)、熔斷器、接觸器、箱內(nèi)緊固件。簡(jiǎn)化后的箱體模型如圖8。

在簡(jiǎn)化后的模型上進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格化后的效果如圖9 所示。

圖9 網(wǎng)格化仿真模型 圖10 靜態(tài)載荷設(shè)置

3.1 靜態(tài)載荷

蓄電池箱靜態(tài)載荷產(chǎn)生于其內(nèi)部的元器件自身質(zhì)量，具體包括：4個(gè)蓄電池單體、1個(gè)隔離開(kāi)關(guān)、1個(gè)熔斷器、1個(gè)接觸器、若干長(zhǎng)度線纜、若干緊固件。在機(jī)車靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)間段內(nèi)，蓄電池箱受到的載荷僅為上述元器件的自重，可能引發(fā)箱體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的外力即為各元器件重力的合力。

在網(wǎng)格化后的模型上設(shè)定約束條件和靜態(tài)載荷，為保證仿真結(jié)果接近實(shí)際情況，該約束條件應(yīng)當(dāng)與蓄電池箱在機(jī)車上的固定方式完全一致，位置在箱體底部安裝托架上的四個(gè)螺紋孔以及相關(guān)梁式結(jié)構(gòu)表面，約束條件方向以箱體底面為基準(zhǔn)平面豎直向上。通過(guò)計(jì)算，箱內(nèi)器件總質(zhì)量為120 kg ,取2.5倍設(shè)計(jì)余量得計(jì)算總質(zhì)量M1=120·2.5=300 kg，由公式G=mg,g=9.8 N/kg 得G=M1·g=2 940 N。故箱體的靜態(tài)載荷為2 940 N。靜態(tài)載荷的方向?yàn)橐缘撞堪惭b托架上表面為基準(zhǔn)平面垂直向下并設(shè)置靜態(tài)載荷大小為均勻分布于底部安裝托架上表面，約束條件和靜態(tài)載荷效果如圖10所示。

約束條件和靜態(tài)載荷設(shè)定完畢后進(jìn)行靜應(yīng)力仿真，仿真結(jié)束后得出靜應(yīng)力色譜圖如圖11，位移色譜圖如圖12。

圖11 靜應(yīng)力色譜圖解

圖12 位移色譜圖解

根據(jù)圖11靜應(yīng)力色譜圖可知最大應(yīng)力發(fā)生在箱體底部安裝托架中心位置，應(yīng)力大小為16 MPa。

根據(jù)材料性能，屈服強(qiáng)度為310 MPa，靜應(yīng)力大小遠(yuǎn)小于母材的屈服強(qiáng)度。根據(jù)圖12位移色譜圖可知最大位移發(fā)生在電池安裝側(cè)的箱體端面，位移大小為0.07 mm，同時(shí)根據(jù)色譜圖冷暖顏色漸變過(guò)程得知最大形變發(fā)生在豎直方向上，由此可得形變百分比D=0.07/350=0.2‰ 。

3.2 動(dòng)態(tài)載荷

蓄電池箱動(dòng)態(tài)載荷[2-3]分為兩大部分：第一部分為縱向載荷，第二部分為橫向載荷。

縱向載荷的產(chǎn)生原因?yàn)闄C(jī)車在加速、減速過(guò)程中對(duì)蓄電池箱體產(chǎn)生的沖擊力，該力的大小取決于加減速的起始速度、結(jié)束速度以及時(shí)間段的長(zhǎng)短，方向?yàn)闄C(jī)車前進(jìn)或后退的方向?，F(xiàn)以機(jī)車空載在直線且零坡度線路條件下的減速制動(dòng)工況計(jì)算蓄電池箱縱向載荷，該型機(jī)車設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)速80 km/h,假定機(jī)車在80 km/h運(yùn)行時(shí)刻開(kāi)始制動(dòng)，制動(dòng)距離取極限距離40 m內(nèi)，在此情況下有如下分析：

設(shè)初速度為:V0=80 km/h，Vt=0，S=40 m

由2as=Vt2-V02得：

a=(Vt2-V02)/2s≈-6.17 m/s2

箱內(nèi)器件總質(zhì)量為120 kg ,取2.5倍設(shè)計(jì)余量得計(jì)算總質(zhì)量M1=120×2.5=300(kg)，又由公式F=Ma得FZ=300×6.17=1 851N,因此得到機(jī)車在制動(dòng)過(guò)程中對(duì)蓄電池箱產(chǎn)生的縱向作用力為1 851 N，方向?yàn)闄C(jī)車后退方向。

由于除載荷類型發(fā)生變化外，蓄電池箱無(wú)其他元素變化，所以縱向載荷的仿真模型與靜態(tài)載荷仿真模型相同。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化后施加外部約束條件和縱向載荷，約束條件與蓄電池箱實(shí)際固定位置一致，在箱體底部安裝托架上的四個(gè)螺紋孔以及相關(guān)梁式結(jié)構(gòu)表面，縱向載荷方向?yàn)闄C(jī)車后退方向，作用面為底部安裝托架的窄邊豎直面，大小為1 851 N。設(shè)置結(jié)果如圖13所示。

圖13 縱向載荷設(shè)置

約束條件和動(dòng)態(tài)縱向載荷設(shè)定完畢后進(jìn)行應(yīng)力仿真，仿真結(jié)束后得出應(yīng)力色譜圖如圖14，位移色譜圖如圖15。

圖14 縱向載荷應(yīng)力色譜圖解

圖15 縱向載荷位移色譜圖解

由縱向載荷應(yīng)力色譜圖可知，最大應(yīng)力發(fā)生在蓄電池箱體底部安裝托架的隔離開(kāi)關(guān)安裝梁上，大小為14 MPa,根據(jù)材料性能，屈服強(qiáng)度為310 MPa,最大應(yīng)力小于母材屈服強(qiáng)度。由縱向載荷位移色譜圖可知箱體內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)最大位移形變發(fā)生在接觸器固定處的橫梁中心，位移大小為0.02 mm，方向垂直于蓄電池箱底板豎直向上。由此得形變百分比D=0.02/995.5=0.02‰。

當(dāng)機(jī)車加速時(shí)會(huì)對(duì)蓄電池箱體產(chǎn)生縱向沖擊力，假定機(jī)車仍然空載在直線且零坡度的線路條件下進(jìn)行加速工況，那么除蓄電池箱受到的沖擊力方向較制動(dòng)減速工況時(shí)改為與機(jī)車運(yùn)行方向一致外，該力的作用位置仍為蓄電池箱的底部安裝托架，同時(shí)考慮到機(jī)車功率有限和機(jī)車自重較大，即使在機(jī)車空載情況下機(jī)車很難在加速距離為40 m的條件下從靜止加速到時(shí)速80 km/h。換言之，若使空載機(jī)車從靜止加速至設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，所需要的加速距離將必然大于40 m。由于加速距離的加長(zhǎng)，在機(jī)車功率和其他外部條件不變的情況下，機(jī)車的加速耗時(shí)也會(huì)增加，那么其內(nèi)部的蓄電池箱將會(huì)受到較上述制動(dòng)工況更小的沖擊力。由此推論可得，在上述制動(dòng)工況下的蓄電池箱縱向載荷仿真結(jié)果可說(shuō)明其結(jié)構(gòu)在加速工況下的縱向載荷影響同樣是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的。

橫向載荷是機(jī)車在通過(guò)不同橫斷面的線路時(shí)遭遇的不同離心力所導(dǎo)致，不同的機(jī)車運(yùn)行時(shí)速和不同的線路情況會(huì)產(chǎn)生不同的離心力，但力的方向始終是垂直于機(jī)車運(yùn)行方向。由于目前尚未掌握該型機(jī)車的運(yùn)行區(qū)間信息，因此對(duì)于線路情況的變化就沒(méi)有依據(jù)，運(yùn)用極限條件來(lái)仿真橫向載荷不可行。但從以下幾點(diǎn)可大致判斷出橫向載荷的取值區(qū)間，第一，根據(jù)機(jī)車運(yùn)行規(guī)范，在通過(guò)曲線線路時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行減速，因此機(jī)車及其零部件將會(huì)受到很小的離心力。第二，在分析縱向負(fù)荷時(shí)選取的極限條件較為苛刻嚴(yán)格，很難發(fā)生在橫向上。因此若運(yùn)用縱向載荷的數(shù)值來(lái)評(píng)判橫向載荷的影響是超標(biāo)的且留有很大設(shè)計(jì)余量，換言之如果將縱向載荷的大小作用在橫向載荷的方向上，蓄電池箱的結(jié)構(gòu)能滿足技術(shù)要求，那么在實(shí)際情況下箱體是能夠承受住橫向載荷的。

仿真模型不變，網(wǎng)格化后進(jìn)行橫向載荷和約束條件設(shè)置。約束條件仍為蓄電池箱固定位，設(shè)橫向載荷的大小為1 851 N，方向垂直于機(jī)車運(yùn)行方向，作用面為蓄電池箱底部安裝托架的寬邊豎直面，具體設(shè)置如圖16所示。

圖16 橫向載荷設(shè)置

仿真結(jié)束后得出應(yīng)力色譜圖如圖17，位移色譜圖如圖18。

圖17 橫向載荷應(yīng)力色譜圖解

圖18 橫向載荷位移色譜圖解

由橫向載荷應(yīng)力色譜圖可知最大應(yīng)力發(fā)生在蓄電池安裝側(cè)的托架鋼梁中間位置，大小為30 MPa,根據(jù)材料特性，木材最大屈服強(qiáng)度為310 MPa，最大應(yīng)力小于母材屈服強(qiáng)度。根據(jù)橫向載荷位移色譜圖可知最大位移發(fā)生在蓄電池安裝側(cè)的托架鋼梁中間位置，大小為0.06 mm，方向垂直于機(jī)車運(yùn)行方向。由此得變形百分比D=0.06/475.4=0.1‰。

3.3 疲勞分析

基于以上仿真結(jié)果新建疲勞分析任務(wù)，首先定義S-N曲線，如圖19。運(yùn)行疲勞仿真任務(wù)后得到仿真結(jié)果如圖20～22所示。

圖19 定義疲勞S-N曲線

圖20 生命色譜圖解 圖21 損壞色譜圖解

由圖20生命色譜圖解可知蓄電池箱體經(jīng)過(guò)1 000 000次振動(dòng)后將出現(xiàn)疲勞，由圖21損壞色譜圖解可知經(jīng)過(guò)整個(gè)事件后箱體將會(huì)出現(xiàn)0.1%的損壞，由圖22載荷因子圖解可以看出經(jīng)過(guò)事件后的最小安全系數(shù)為13，該數(shù)值大于最小安全系數(shù)1.0。

圖22 載荷因子圖解

4 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 不銹鋼外殼

蓄電池箱外殼整體采用316不銹鋼(0Cr17Ni12Mo2)鈑金焊接而成，該材料良好的耐腐蝕性和耐高溫性保證了其在內(nèi)燃機(jī)機(jī)械間高溫、油污、粉塵惡劣條件下能夠?yàn)樾铍姵貏?chuàng)造良好的儲(chǔ)存和工作環(huán)境[4]。同時(shí)在焊接后的成品表面還涂有絕緣介質(zhì)保證箱體的整體絕緣性能保障蓄電池系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

4.2 隔離艙室

考慮到鉛酸蓄電池在充電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氫氣，而氫氣是可燃?xì)怏w，在氣體濃度達(dá)到4.0%～75.6%之間時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸，所以電池箱的設(shè)計(jì)需要考慮有效的通風(fēng)和隔離可能產(chǎn)生明火的設(shè)備。蓄電池箱內(nèi)有可能產(chǎn)生明火的設(shè)備有蓄電池端子、隔離開(kāi)關(guān)和接觸器，蓄電池端子因無(wú)法與電池單體隔離故采用銅制環(huán)形帶鎖止件的線端端子來(lái)提供電連接，這樣可以避免端子虛接而產(chǎn)生的拉弧現(xiàn)象保證電池運(yùn)行安全。隔離開(kāi)關(guān)和接觸器作為明火的產(chǎn)生源應(yīng)當(dāng)與蓄電池分離開(kāi)來(lái)，整個(gè)箱體被分為蓄電池艙和開(kāi)關(guān)艙，兩個(gè)艙體相互獨(dú)立沒(méi)有風(fēng)道連接和過(guò)線裝置，保證蓄電池釋放的氫氣不會(huì)擴(kuò)散到開(kāi)關(guān)艙內(nèi)。為進(jìn)一步減少氫氣爆燃可能，根據(jù)EN50272-2標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算蓄電池箱內(nèi)氫氣低于4.0%的爆燃下限濃度時(shí)的空氣流通率[5]：

Q=0.05·n×C4×Igas×10-3(m3/h)

其中n=電池?cái)?shù)量；C4=電池容量；Igas=5 mA/Ah

有Q=0.05×4×300×5×10-3=0.3 m3/h

最小開(kāi)孔面積A=28×Q=8.4 (cm2)

蓄電池艙單側(cè)的百葉窗開(kāi)孔面積S=25×0.9×20=450 (cm2)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出實(shí)際通風(fēng)面積大于最小開(kāi)孔面積，箱體側(cè)部通風(fēng)窗可以保證蓄電池在充電時(shí)釋放的氫氣得到及時(shí)疏散以保證不發(fā)生爆燃。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)德國(guó)(DB)混動(dòng)機(jī)車的關(guān)鍵部件內(nèi)燃機(jī)蓄電池箱從元器件布置、箱體結(jié)構(gòu)形式、箱體材料選擇、安全防護(hù)以及通風(fēng)散熱和排放有害氣體方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析計(jì)算。結(jié)果表明蓄電池箱體設(shè)計(jì)強(qiáng)度可承受來(lái)自箱體內(nèi)部電池模塊和其他元器件產(chǎn)生的自負(fù)荷和綜合運(yùn)行環(huán)境所產(chǎn)生的外部載荷且在疲勞狀態(tài)下不發(fā)生有害形變，箱體結(jié)構(gòu)和通風(fēng)設(shè)計(jì)可有效改善電池運(yùn)行環(huán)境保障電池運(yùn)行安全，此設(shè)計(jì)一方面可有效延長(zhǎng)蓄電池的壽命提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性，另一方面也為為今后機(jī)車儲(chǔ)能設(shè)備設(shè)計(jì)提供了參考和經(jīng)驗(yàn)。