摘" 要：氫能作為綠色的清潔能源，在電客車領(lǐng)域的應(yīng)用成為當(dāng)下國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。氫燃料混合動(dòng)力鉸接車是一種以鉸接式輕軌車為載體，以動(dòng)力電池和氫燃料電池為動(dòng)力系統(tǒng)的氫能源有軌電客車，該文主要分析該種車型車下大設(shè)備安裝方式，并對(duì)動(dòng)力電池的安裝螺栓連接強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真和校核。結(jié)果表明，螺栓預(yù)緊力、靜強(qiáng)度、防滑安全系數(shù)和交變載荷滿足VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)，該種螺栓安裝連接方式可作為設(shè)備安裝的設(shè)計(jì)依據(jù)。同時(shí)，研究?jī)?nèi)容為氫能源鉸接車及其他城市軌道交通車輛的車下設(shè)備安裝方式提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：氫能；鉸接車；設(shè)備安裝；校核；連接方式

中圖分類號(hào)：U270.12" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0027-04

節(jié)能減排是軌道交通領(lǐng)域近年來(lái)關(guān)注的重點(diǎn)，氫能作為新的綠色能源持續(xù)受到關(guān)注和研究，目前氫燃料電池與動(dòng)力電池組成的動(dòng)力系統(tǒng)在軌道交通車輛領(lǐng)域逐漸得到運(yùn)用[1-2]。中車大同電力機(jī)車有限公司研發(fā)了一款氫燃料混合動(dòng)力機(jī)車，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的綠色節(jié)能運(yùn)行[3]。湖南中車智行科技有限公司對(duì)三編組的智軌電車進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)，采用氫能源與動(dòng)力電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛續(xù)航里程從70 km到300 km的躍升[4]。

本公司在現(xiàn)有鉸接式輕軌車平臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)，搭載一套氫燃料電池和動(dòng)力電池，動(dòng)力電池在車輛啟動(dòng)時(shí)可滿足加速度大的要求，氫燃料電池提供較強(qiáng)的續(xù)航。作為新一代輕軌列車，且為國(guó)內(nèi)首列自主研發(fā)的氫燃料混合動(dòng)力鉸接輕軌車，車輛采用無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)，燃料電池從零到充滿僅需要15 min，續(xù)航里程不低于100 km。

相較于地鐵車輛，鉸接式輕軌車的尺寸小，因此安裝空間有限，基于車型特點(diǎn)，該種車型的氫燃料電池箱安裝布置在車頂，動(dòng)力電池安裝于車體底架上，如圖1所示。車下大設(shè)備安裝的可靠性對(duì)行車安全非常重要，因此，安裝螺栓的強(qiáng)度計(jì)算是必要的。本文選取了車下具備典型意義大設(shè)備——?jiǎng)恿﹄姵兀赩DI 2230標(biāo)準(zhǔn)（VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)是德國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（VDI）發(fā)布的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，名為“Systematic Calculation of High Duty Bolted Joints”，中文譯為“高負(fù)荷螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算”）對(duì)設(shè)備安裝的螺栓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算、校核[5-7]，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)選型符合標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果可為設(shè)計(jì)方式提供重要依據(jù)。

1" 設(shè)備與邊梁連接處螺栓連接

基于鉸接車的車型小及運(yùn)行時(shí)具有防脫落的要求，動(dòng)力電池設(shè)備選擇托裝在車體邊梁上，如圖2所示的安裝方式，從上至下的連接組件有帶螺紋的壓塊，不帶螺紋的圓柱套筒，防松碟形墊圈及起連接作用的螺栓。

1.1" 動(dòng)力電池箱

動(dòng)力電池重量為2 550 kg，采用16個(gè)M16×110的螺栓進(jìn)行安裝。

1.2" 螺栓選型

動(dòng)力電池箱采用M16，10.9級(jí)螺栓，帶螺紋的壓塊緊固（材質(zhì)為45#，調(diào)質(zhì)處理，表面硬度HRC22-34），防松墊片材質(zhì)為德標(biāo)DIN9250碳鋼防松墊圈。

緊固力矩：M16-280N·m。

1.3" 螺栓選型

螺栓的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

2" 有限元模型

動(dòng)力電池的托裝結(jié)構(gòu)模型采用HyperMesh軟件劃分計(jì)算網(wǎng)格，有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為661 030個(gè)，單元總數(shù)為646 203個(gè)。圖3所示是將動(dòng)力電池箱邊梁托裝設(shè)備模型進(jìn)行有限元離散的結(jié)果。

3" 載荷及組合工況

根據(jù)EN 12663-1標(biāo)準(zhǔn)《鐵路應(yīng)用 鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》中P-Ⅳ要求在振動(dòng)作用下受到x、y、z方向的加速度，表2所示為不同工況的載荷。不同設(shè)備的安裝位置不同則c值不同，車體端部c取2.0，車體中心c取0.5，線性取值，根據(jù)動(dòng)力電池箱的安裝位置，動(dòng)力電池箱c取0.56。

載荷工況組合見(jiàn)表2。

4" 有限元計(jì)算結(jié)果

使用有限元軟件對(duì)動(dòng)力電池整體進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，由靜強(qiáng)度仿真分析的結(jié)果可知，單元編號(hào)為450697的螺栓在縱向3 g的沖擊載荷作用下所受的軸向力最大，最大軸向力和所受最大橫向載荷為

5" 基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的螺栓強(qiáng)度校核

基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的螺栓強(qiáng)度校核流程如下。

①基于有限元計(jì)算結(jié)果得到受力最大的螺栓，得到螺栓所受最大軸向力和所受最大橫向載荷；②根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定擰緊系數(shù)；③根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算最小夾持力；④根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定螺栓與被連接件的柔度；⑤確定載荷系數(shù)；⑥預(yù)緊力損耗；⑦裝配預(yù)緊力校核；⑧靜強(qiáng)度校核；⑨校核防滑安全系數(shù)和交變載荷校核。

以上校核結(jié)果如有不滿足的，應(yīng)調(diào)整緊固件參數(shù)的選型，直至滿足標(biāo)準(zhǔn)值為止。

5.1" 預(yù)緊系數(shù)

根據(jù)VDI 2230表A8，因車輛設(shè)備安裝方式為扭矩扳手?jǐn)Q緊，所以取？琢A=1.6。

5.2" 最小夾持力Fker f

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，最小夾持力Fkerf≥FKQ

式中：FKQ為滿足抗剪要求的最小預(yù)緊力；F■為最大橫向載荷；M■為相對(duì)螺栓軸線的扭矩，取0；q■為傳遞橫向載荷摩擦接觸面數(shù)，取1；？滋■為摩擦面最小摩擦系數(shù)，按照VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的表A6，取0.28，計(jì)算最小夾持力。則Fker f ≥FKQ=■＝54 000 Ｎ 。 （2）

5.3" 螺栓與被連接件的柔度

5.3.1" 螺栓彈性柔度

如圖4所示，螺栓可按照以下幾段分別考慮其柔度：螺栓頭？啄SK、光桿柔度？啄1、未旋合螺紋？啄Gew、旋合螺紋？啄G、螺母區(qū)域？啄M。螺栓材料彈性模量ES=206 000 MPa。？啄=■，l為螺栓為各部分長(zhǎng)度，A為螺栓橫截面積，則得到螺栓的總?cè)岫热缦?/p>

5.3.2" 被夾緊件彈性柔度

確定板件的等效外徑ＤA，應(yīng)將總面積Ages=5 510 mm2轉(zhuǎn)換成圓面積。

由于基礎(chǔ)體的等效外徑D′Ａ與分切面的差異不大，就取D′Ａ=DＡ。取輔助尺寸？茁L=lk/dw=2.534 5，y=D′Ａ/dw=3.724 43，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于DSV連接方式，替代變形椎體角度

對(duì)于DSV連接方式，代入Ｗ＝１，可以得到值

由于DAgt;DA，Gr，取被夾緊件材料彈性模量Ep=200 000 MPa，則變形體的柔度為

5.3.3" 確定載荷系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)中載荷系數(shù)公式為

相對(duì)剛度修正系數(shù)n與連接的集合形狀及載荷作用位置有關(guān)。VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)中給出了6種不同的等效變形體及受載情形，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)中情形SV2適用。n的求取方法可以通過(guò)VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)中表5.2/1插值法得到。由于直接提取螺栓連接處的載荷，因此可認(rèn)為螺栓連接為同心夾緊與加載，Ak=0，LA=0。得到載荷傳導(dǎo)系數(shù)n=0.57。代入變形體柔度值，計(jì)算得到載荷系數(shù)為

5.4" 預(yù)緊力損耗Fz

接觸面的粗糙度會(huì)引起相互嵌入，從而造成預(yù)緊力損失。接觸表面粗糙度，根據(jù)VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)中表5.4/1可得各個(gè)接觸部分的嵌入量。螺紋旋合部分相互嵌入量fZ1=3 μm，螺母、螺栓頭與吊座接觸部分嵌入量fZ2=3 μm×2=6 μm，分切面部分的接觸面嵌入量為2 μm。則fZ=11 μm。則預(yù)緊力的減少ＦＺ為

5.5" 裝配預(yù)緊力校核

為滿足連接的可靠，最大許用力應(yīng)大于最大預(yù)緊力，即ＦＭＺulgt;FMmax。

計(jì)算最小預(yù)緊力FMmin及最大預(yù)緊力FMmax，結(jié)果如下

式中：ＦＭ為安裝預(yù)緊力；M為安裝力矩，為280 000 Ｎ·mm；不考慮環(huán)境溫度損失，？駐F′vth=0。

因此，滿足最小預(yù)緊力要求。根據(jù)VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)中表A1查得最大許用力FMzul=FMTab=124 400 N 。 （14）

因此，F(xiàn)Mzulgt;FMmax，即螺栓預(yù)緊力滿足要求。

5.6" 靜強(qiáng)度校核

根據(jù)工作載荷與螺栓預(yù)緊力的關(guān)系，求得最大螺栓力為

式中：FSmax為螺栓軸向載荷；FSAmax為螺栓軸向載荷增量。

式中：？滓？爪為螺栓拉伸應(yīng)力；？子max為MG作用下螺紋扭曲應(yīng)力；MG為螺紋扭矩；WP為螺栓橫截面極性阻力矩。求得？子max=228.641MPa 。 （20）

與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的合成應(yīng)力為

式中：？滓red，Ｂ為工作狀態(tài)下比較應(yīng)力；k？子為降低系數(shù)，取值為0.5；對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)10.9的M16螺栓，[？滓]=900 MPa，？滓red，Ｂlt;[？滓]，所以所選螺栓是安全的，安全系數(shù)為n=■=1.41。

5.7" 校核防滑安全系數(shù)SG和交變載荷

一定的軸向力大小可防止結(jié)合面發(fā)生滑動(dòng)。則最小剩余預(yù)緊力FKRmin和夾緊力FKerf為

靜載荷的標(biāo)準(zhǔn)值為：SG≥1.2。因此螺栓的防滑安全系數(shù)滿足要求。

運(yùn)營(yíng)工況下的交變載荷校核

因?yàn)槁菟ㄟB接強(qiáng)度？滓a小于疲勞強(qiáng)度？滓AＳＶ。SD=■=9.53，因此，該螺栓的抗剪切能力滿足要求。綜上所述，螺栓校核結(jié)果見(jiàn)表3。

6" 結(jié)論

1）本文采用有限元仿真對(duì)螺栓安裝進(jìn)行了計(jì)算，得到受力最大的螺栓及螺栓所受最大軸向力和所受最大橫向載荷。

2）基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)螺栓強(qiáng)度的校核流程，通過(guò)對(duì)車下動(dòng)力電池箱的邊梁托裝方式和對(duì)動(dòng)力電池設(shè)備與邊梁連接螺栓在規(guī)定工況下的強(qiáng)度校核，計(jì)算得到選用螺栓的裝配預(yù)緊力、靜強(qiáng)度、校核防滑安全系數(shù)及交變載荷滿足設(shè)計(jì)要求。

3）本文基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算校核可靠、合理，為設(shè)計(jì)選型結(jié)果提供可靠的理論依據(jù)，也為動(dòng)力電池箱在其他電客車的安裝方式提供參考價(jià)值。

4）燃料混合動(dòng)力鉸接車采用車頂布置燃料電池，車底架邊梁托裝動(dòng)力電池的方式，解決了輕軌車輛設(shè)備安裝空間小的難題，設(shè)備托裝方式使車輛運(yùn)行更加安全，可保證運(yùn)行時(shí)無(wú)設(shè)備脫落風(fēng)險(xiǎn)，因此可作為一種典型的氫能鉸接車設(shè)備布置及安裝方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張軍龍.氫能源在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用及發(fā)展[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2018（1）：162-164.

[2] 熊玉姣.淺析氫能源在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，34（4）：40-42.

[3] 王樹海，李敬玉，于海霞，等.大功率氫燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車總體方案研究[J].鐵道車輛，2024，62（2）：59-64.

[4] 余卓，肖磊，謝軍，等.智軌電車氫能源混合動(dòng)力系統(tǒng)及其控制策略[J].控制與信息技術(shù)，2023（5）：1-7.

[5] 胡欣欣，于利多.基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的某撒砂裝置關(guān)鍵連接件強(qiáng)度分析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2023，30（2）：4-9.

[6] 張啟維，陳哲，徐兆堃.基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)車車輛螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算方法及應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（6）：53-56.

[7] 李東林，黃佳，丁曉宇.基于VDI2230標(biāo)準(zhǔn)的螺栓連接載荷系數(shù)仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2023，50（3）：10-18.

Abstract： As a green clean energy source， the application of hydrogen energy in the field of electric buses has become the focus of research at home and abroad. Hydrogen-fuel hybrid articulated vehicle is a kind of hydrogen energy rail-electric passenger car that uses articulated light rail vehicles as the carrier and power cells and hydrogen fuel cells as the power systems. This paper mainly analyzes the installation method of large equipment under the vehicle of this type of vehicle， and carries out finite element simulation and verification on the installation bolt connection strength of the power battery. The results show that the bolt pre-tightening force， static strength， anti-slip safety factor and alternating load meet the requirements of VDI 2230 Standard， and this bolt installation and connection method can be used as the design basis for equipment installation. At the same time， the research content provides certain reference for the installation methods of under-vehicle equipment for hydrogen energy articulated vehicles and other urban rail transit vehicles.

第一作者簡(jiǎn)介：王龍飛（1992-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄜ囕v。