匈牙利调车机车蓄电池柜结构设计

刘家奇，袁新辉

(中车株洲电力机车有限公司技术中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

匈牙利调车机车是株机公司为奥地利国铁旗下子公司匈牙利货运铁路公司(RCH)打造的电-电双源制调车机车，也是株机公司首个面向欧洲市场的干线调车机车。该新型调车机车将进一步丰富株机公司欧洲调车机车谱系，有力推动欧洲调车机车平台化建设。在进行屏柜部分的设计、制造和试验等程序时，应符合以下规范和标准：匈牙利法律法规、欧洲铁路互联互通技术规范(TSI)、欧盟标准(EN)、国际电工委员会标准(IEC)、国际标准组织标准(ISO)、国际铁路联盟标准(UIC)、德国标准(DIN)。

通过调研分析，面向国内市场的蓄电池箱不适用于匈牙利市场的要求。因此，需要对蓄电池箱的结构进行重新设计，以符合欧洲市场的标准和规范。

1 蓄电池柜的结构设计

本项目采用的某品牌型号为FNC 100MR2的镍镉碱性蓄电池，单体重量为4.15 kg，数量为80只。其分布如图1所示，分上下2层，每层布置40节蓄电池，重量为166 kg。屏柜的设计原则是在保证安全的前提下尽量方便检修维护。如图2所示，蓄电池柜采用双开门结构，柜门打开时不应与机械间内其他设备干涉，且应方便蓄电池斗拉出检修。如图3所示，蓄电池斗四周采用镂空结构，以方便散热及减轻重量，蓄电池斗的底部设有加强筋，上部采用折弯结构，以提高蓄电池斗的强度。为了适应欧洲市场，蓄电池斗通过导轨固定于蓄电池柜骨架上，上下2层均可拖出进行检修维护。

图1 蓄电池布置示意图

图2 蓄电池柜

图3 蓄电池柜内部

2 蓄电池柜仿真分析

如图2所示，蓄电池柜骨架主要由3 mm方形/矩形无缝钢管及1.5 mm板材组成，材料主要选用EN 10210-2《非合金结构钢和晶粒结构钢的钢构件用热成型空心型件 第1部分：交货技术条件》的355NLH，安装座及起吊座材料选用EN 10025-3《结构钢热轧制品.正火/正火热机轧制的可焊接细粒结构钢的交货技术条件》的S355NL；蓄电池斗材料选用EN 10088-2《不锈钢-第二部分：通用耐腐蚀钢的薄钢板/钢板和带钢的技术交货条件》的3冷轧不锈钢板X5CrNi18-10-1.4301。本次仿真按EN 12663-1《铁路应用-铁路车身的结构要求》和ERRI B12/RP17(国际铁路联盟试验研究中心的研究报告)规定对蓄电池柜组成进行有限元分析。

坐标系如图4所示。X-轴(对应于车体纵向轴)的正向是运动方向，Z-轴(对应于车体垂直轴)的正向向上，Y-轴(对应于车体横向轴)位于水平面上，形成了一个右手坐标系。

蓄电池柜安装在近车体端部，主要设备质量分布如下：2个蓄电池斗(含蓄电池)各175 kg；外侧左右门板质量各3.5 kg。为了更好地模拟蓄电池柜的作用载荷实际受力情况，在此将蓄电池斗、外侧门板等安装设备细化为3个质量点。

2.1 载荷工况

按标准EN 12663-1《铁路应用-铁路车辆车体的结构要求 第1部分：机车和客运车辆(以及货车的一种选择方法)》的规定:在超常载荷工况下要求蓄电池柜体能够分别承受纵向±3 g、横向±1 g、垂向(±c)g(图文中垂直向上为正)，同时分别考虑柜体自重载荷，在这些惯性力的冲击下而不出现塑性变形，g为重力加速度，c值在车体中部取0.5，在车体端部取2，本方案中蓄电池柜安装在近车体端部；在运用载荷工况下要求柜体能够分别承受相当于纵向±0.15 g、横向±0.2 g、垂向(1±0.25)g的惯性力的冲击而不出现疲劳破坏。

另外，蓄电池柜需要在组装及维护中进行起吊操作，根据EN 12663标准，取其载荷为其重量的1.1倍。

故按照标准EN 12663，蓄电池柜可组合成6个静强度计算工况和8个疲劳计算工况。组合后静强度载荷计算工况见表1，疲劳载荷计算工况见表2。

表2 疲劳强度载荷计算工况 单位：g

表1 静强度载荷计算工况 单位：g

2.2 材料性能及评判标准

蓄电池柜骨架制造材料选用355NLH，安装座材料选用S355NL，蓄电池斗材料选用X5CrNi18-10-1.4301，其性能参数见表3。

表3 材料机械性能参数

按照EN 12663-1要求，要求柜体焊缝区和母材按1.15的安全系数进行屈服校核。

疲劳强度根据国际铁路联盟研究试验委员会ERRI B 12/RP 17报告提供的方法进行评估。由于焊接结构裂纹扩展方向与计算最大主应力方向相垂直，因此，评估时首先获得各节点在表3所列的各计算工况下的最大主应力及其方向，再将其余各工况下的应力向最大主应力方向投影，并获得循环的最小应力。然后，将蓄电池柜及蓄电池斗各节点的应力分布点如图5所示的MKJ图，以许用应力与计算应力的比值作为节点的疲劳强度安全系数。节点疲劳强度安全系数应大于1.00。

图5 适用于355NLH和X5CrNi18-10-1.4301材料母材及其制造的焊接接头的MKJ曲线

2.3 计算模型

蓄电池柜组成离散模型如图6所示，柜体主要采用壳单元SHELL 181模拟，各质量点用质量单元MASS 21模拟。该模型单元长度为12，共有节点78 507个，单元77 597个，计算模型质量521.9 kg。

图6 蓄电池柜骨架离散模型

在蓄电池柜的边界条件施加过程中，除了起吊工况外，约束施加在蓄电池柜底部两侧的6个安装孔上，而起吊工况则施加在4个起吊孔上。载荷施加过程中，考虑到蓄电池柜各向运动时力作用位置不一致，故各质量点均以加速度形式分开施加各向冲击。

2.4 计算结果及分析

2.4.1 静强度工况

静载荷各个计算工况下蓄电池柜及蓄电池斗上最大等效应力及位置见表4，蓄电池柜的最大应力为272.664 MPa，发生在骨架底部左安装座横向螺栓安装孔母材，许用应力为355 MPa；蓄电池斗的最大应力为177.62 MPa，发生在蓄电池斗右侧架螺栓安装孔，许用应力为230 MPa。蓄电池柜及蓄电池斗各工况强度安全系数大于1.15，满足EN 12663-1要求。

表4 静强度计算工况最大等效应力及位置表

2.4.2 疲劳强度工况

母材与焊缝区Top面各节点最大应力分布见图7，材料利用率分布见图8，材料最大利用率0.666；母材与焊缝区Bot面各节点最大应力分布见图9，材料利用率分布见图10，材料最大利用率0.749。蓄电池柜及蓄电池斗在运营工况下满足疲劳强度要求。

图7 母材与焊缝区Top面各节点最大应力分布图 图8 母材与焊缝区Top面材料利用率分布图

图9 母材与焊缝区Bot面各节点最大应力分布图 图10 母材与焊缝区Bot面材料利用率分布图

2.4.3 模态分析

蓄电池柜组成模态分析范围1～50 Hz，蓄电池柜组成最小频率21.7951 Hz，各阶模态计算结果见表5。

表5 蓄电池柜组成模态特性

3 结语

在对国外项目的屏柜进行设计时，不仅需要考虑符合相关设计标准，也要注意设计的屏柜结构尽量避免专利侵权。本蓄电池柜是在避免专利侵权后对蓄电池柜的结构进行了较大的改动。通过仿真分析，蓄电池柜及蓄电池斗的最小安全系数为1.29，满足EN 12663-1静强度规定的1.15要求；蓄电池柜及蓄电池斗所有母材及焊缝节点的最大应力满足疲劳强度要求；蓄电池柜组成最小频率21.795 1 Hz，满足设计要求。