盧玉丹，李琛玫，丁偉民

(中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

電力機(jī)車網(wǎng)側(cè)柜安裝了用于隔離受電弓的高壓隔離開(kāi)關(guān)和用于接通/斷開(kāi)25 kV電源的真空斷路器、檢測(cè)接觸網(wǎng)電壓的高壓互感器、避雷器等高壓部件，其主要承載的電氣部件體型大、重量大。為滿足機(jī)車高可靠性、高安全性的運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)柜柜體必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

以往項(xiàng)目中為驗(yàn)證網(wǎng)側(cè)柜設(shè)計(jì)合理性，會(huì)選取某個(gè)網(wǎng)側(cè)柜進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，但每臺(tái)機(jī)車運(yùn)行時(shí)的路況及工作環(huán)境均有不同，網(wǎng)側(cè)柜制造時(shí)或多或少存在制造誤差，試驗(yàn)合格只能證明試驗(yàn)樣品滿足設(shè)計(jì)要求不能代替所有產(chǎn)品。通過(guò)網(wǎng)側(cè)柜結(jié)構(gòu)及材料特性的特點(diǎn)、設(shè)備布置介紹，結(jié)合靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、模態(tài)、振動(dòng)長(zhǎng)壽命等仿真分析，網(wǎng)側(cè)柜模態(tài)試驗(yàn)等多維度驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性，避免振動(dòng)沖擊試驗(yàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)柜骨架及器件的損耗。

1 網(wǎng)側(cè)柜結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置

網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)安裝有高壓隔離開(kāi)關(guān)、高壓互感器、真空斷路器、高壓接地開(kāi)關(guān)、避雷器各1個(gè)，網(wǎng)側(cè)柜主要框架及安裝重量較大的安裝座均采用符合GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》要求的高強(qiáng)度性能Q345鋼材，材料機(jī)械性能(見(jiàn)表1)。網(wǎng)側(cè)柜柜體尺寸長(zhǎng)×寬×高為1 500 mm×1 050 mm×2 200 mm，網(wǎng)側(cè)柜骨架重約410 kg，網(wǎng)側(cè)柜總體重量約為710 kg，網(wǎng)側(cè)柜三維效果如圖1所示。

表1 材料機(jī)械性能參數(shù)

圖1 網(wǎng)側(cè)柜三維效果圖

網(wǎng)側(cè)柜內(nèi)右側(cè)墻安裝1個(gè)支撐絕緣子，用于連接車頂受電弓側(cè)25 kV高壓電纜，高壓電纜通過(guò)支撐絕緣子轉(zhuǎn)接到真空斷路器輸入端；左側(cè)墻安裝1個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，用于連接另一端車頂受電弓側(cè)25 kV高壓電纜，高壓電纜通過(guò)高壓隔離開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)接到真空斷路器輸出端；網(wǎng)側(cè)柜后側(cè)墻上安裝1個(gè)高壓電壓互感器，它和真空斷路器的輸入端并聯(lián)，用于檢測(cè)25 kV網(wǎng)壓；柜體底部安裝有真空斷路器、高壓接地開(kāi)關(guān)(檢修網(wǎng)側(cè)柜，保障安全接地)、避雷器(吸收變壓器側(cè)操作過(guò)電壓)各1個(gè)；柜內(nèi)避雷器與真空主斷路器輸出端連接，并通過(guò)母排轉(zhuǎn)接到主變壓器的高壓輸入端；設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 設(shè)備布置(隱藏門)

2 柜體仿真分析

2.1 柜體靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度

用ANSLS軟件對(duì)網(wǎng)側(cè)柜開(kāi)展有限元分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1：2010+A1：2014《鐵路應(yīng)用 鐵路機(jī)車車輛車體結(jié)構(gòu)要求 第1部分：機(jī)車和旅客列車(和貨車的替代方法)》中規(guī)定:在超常載荷工況下，要求網(wǎng)側(cè)柜體能夠分別承受縱向±3 g、橫向±1 g、垂向±c g(g為重力加速度，c值在車體中部取0.5，在車體端部取2)；同時(shí)，分別考慮柜體自重載荷，在這些慣性力的沖擊下不出現(xiàn)塑性變形，網(wǎng)側(cè)柜安裝在車體端部，在運(yùn)用載荷工況下，要求柜體能夠分別承受相當(dāng)于縱向±0.15 g、橫向±0.2 g、垂向(1±0.25)g的慣性力沖擊而不出現(xiàn)疲勞破壞；在模擬仿真分析時(shí)將網(wǎng)側(cè)柜組合成6個(gè)靜強(qiáng)度計(jì)算工況和8個(gè)疲勞計(jì)算工況。

計(jì)算結(jié)果顯示：靜載荷各個(gè)計(jì)算工況下網(wǎng)側(cè)柜的最大應(yīng)力為185.413 MPa，發(fā)生在門邊緣封板焊接處(見(jiàn)圖3)，材料焊縫許用應(yīng)力為313.6 MPa，安全系數(shù)為1.69；母材與HAZ區(qū)材料利用率分布(見(jiàn)圖4)，母材與HAZ區(qū)材料最大利用率0.86，發(fā)生在起吊安裝立柱焊接處。綜上所述，網(wǎng)側(cè)柜的強(qiáng)度及運(yùn)營(yíng)工況下疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 網(wǎng)側(cè)柜最大等效應(yīng)力及位置

圖4 母材和HAZ材料利用率分布圖

2.2 柜體模態(tài)

為進(jìn)一步詳細(xì)分析網(wǎng)側(cè)柜骨架及其真空斷路器安裝座、高壓互感器安裝板、支撐絕緣子安裝板、避雷器安裝板、高壓隔離開(kāi)關(guān)安裝板等模態(tài)振動(dòng)特性，以確保網(wǎng)側(cè)柜結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定性，使用ANSLS軟件選取1-40階、至少涵蓋1-100 Hz頻率范圍進(jìn)行模態(tài)分析。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示：網(wǎng)側(cè)柜在不加約束情況下一階最低自振頻率發(fā)生在左側(cè)封板上為23.503 Hz(見(jiàn)圖5)；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3451-2016《動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)》中規(guī)定：車體剛度應(yīng)確保整備狀態(tài)下車體的一階垂向彎曲自振頻率與轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭和沉浮自振頻率的比值大于1.4或車體的一階垂向彎曲自振頻率不低于10 Hz。對(duì)比網(wǎng)側(cè)柜下方車體自振頻率，網(wǎng)側(cè)柜一階自振頻率為23.503 Hz，可有效避免與車體的共振發(fā)生。

圖5 網(wǎng)側(cè)柜一階自振模態(tài)頻率

2.3 振動(dòng)長(zhǎng)壽命分析

為了檢驗(yàn)設(shè)備質(zhì)量確保安全，必須模擬設(shè)備使用期內(nèi)實(shí)際工作條件，進(jìn)行適當(dāng)?shù)某志檬褂?，根?jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373-1 2010《鐵路應(yīng)用——機(jī)車車輛設(shè)備—沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》要求，使用Hypermesh對(duì)網(wǎng)側(cè)柜以Ⅰ類-A級(jí)-車身裝-ASD頻譜進(jìn)行模擬振動(dòng)長(zhǎng)壽命計(jì)算，計(jì)算結(jié)果網(wǎng)側(cè)柜縱向、橫向、垂向疲勞振動(dòng)壽命均大于5 h(18 000 s)，激勵(lì)疲勞壽命云圖(見(jiàn)圖6、7、8)，縱向激勵(lì)疲勞壽命的垂向譜值為4.120 6×104(m/s2)2/Hz，橫向激勵(lì)疲勞壽命的垂向譜值為2.448×107(m/s2)2/Hz，垂向激勵(lì)疲勞壽命的垂向譜值為2.25×105(m/s2)2/Hz，根據(jù)模擬振動(dòng)疲勞壽命分析顯示網(wǎng)側(cè)柜滿足IEC 61373-1 2010《鐵路應(yīng)用——機(jī)車車輛設(shè)備—沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》疲勞壽命要求。

圖6 縱向激勵(lì)疲勞壽命云圖

圖7 橫向激勵(lì)疲勞壽命云圖

圖8 垂向激勵(lì)疲勞壽命云圖

3 模態(tài)試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3502-2018《鐵道客車及動(dòng)車組模態(tài)試驗(yàn)方法及評(píng)定》對(duì)網(wǎng)側(cè)柜進(jìn)行試驗(yàn)，將網(wǎng)側(cè)柜至于橡膠墊上，使柜體盡可能的處于自由狀態(tài)，測(cè)試網(wǎng)側(cè)柜的固有屬性。試驗(yàn)結(jié)果顯示柜體最低固有頻率為23.947 Hz，阻尼比為0.54%，發(fā)生在柜體菱形搓動(dòng)后側(cè)墻底梁一階垂向彎曲，前面板上部2根橫梁一階橫向彎曲；網(wǎng)側(cè)柜試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9所示。試驗(yàn)證明網(wǎng)側(cè)柜一階自振頻率23.947 Hz，大于車體的一階垂向彎曲自振頻率，網(wǎng)側(cè)柜模態(tài)滿足要求。

圖9 網(wǎng)側(cè)柜沖擊激勵(lì)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)柜使用材料性能分析，結(jié)合靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、模態(tài)、振動(dòng)長(zhǎng)壽命模擬仿真計(jì)算，并對(duì)網(wǎng)側(cè)柜進(jìn)行了實(shí)際模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明網(wǎng)側(cè)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全裕量大于標(biāo)準(zhǔn)要求。多維度的仿真計(jì)算分析可驗(yàn)證網(wǎng)側(cè)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的符合性，為后續(xù)電氣屏柜的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。