地铁车辆车下设备安装结构研究

王航

中车唐山机车车辆有限公司 河北省唐山市 064000

摘要：地铁车辆在运行时产生的各个方向的振动会对车下设备吊装的可靠性带来不利影响。依据EN 12663-2010标准提供的载荷工况，采用HyperWorks、ANSYS软件对福州5号线地铁车下设备的安装结构进行静强度仿真计算，以此来验证设计结构的可靠性，为城轨车下吊装结构的详细设计提供了理论依据。

关键字：地铁车辆；车下设备；有限元分析；强度校核

当前城市轨道交通车辆种类较多，而其车下设备的安装方式各异，设备吊挂结构牢固与否直接影响列车的可靠运营，是列车安全运行的保障之一。本文主要对地铁车辆车下设备的安装结构进行研究分析，通过模型仿真理论计算的方式相结合来验证设备安装结构的可靠性。

1.车下设备安装设计原则

(1)设备本身的强度。设备箱的布置和设计应考虑总体技术方案、设备的尺寸、重心位置及车重的分配来确定，根据设备本身结构形式及质量确定吊装点的结构形式为托装或吊装。

(2)安装座的强度。根据设备的质量设计车体安装座的结构,在强度设计时，考虑选择有足够强度的材质和安装座的承载刚度，以避免因其变形而导致相关结构的受力状态发生变化。

(3)连接强度。根据车体吊装座和设备的材质、结构以此来确定连接形式，常用连接方式是螺栓连接和铆钉连接。两者材质不一致需考虑接触表面的电化学腐蚀问题^[2]。

2. 车下设备安装方式

车下大设备根据牵引系统配置不同，安装上存在较大差异，可分为主横梁托装结构、边梁吊装结构、滑槽吊装结构等。主横梁托装结构在城轨车上应用较成熟，因此本文以主横梁托装结构为研究对象，对其进行静力学分析。

主横梁安装在车体两侧的底架边梁上面，通过HUCK铆钉与边梁固定在一起，车下设备通过螺栓紧固安装在主横梁支承上。

2. 仿真分析

本文选取福州地铁5号线MP车的牵引逆变器设备，此设备采用边梁吊装、设备托装的安装方式。为了验证结构的安全合理性，用Hypermesh和Ansys对主横梁进行静力学分析。

3.1仿真工况及模型参数

3.1.1仿真工况

标准EN 12663-2010中将客运车辆分成五种结构类别，地铁车辆属于P-III类(地铁、快速交通车辆和轻轨车)^[1]。

P-III类车辆中安装于车体上设备的悬挂装置在任何方向能承受的最大冲击加速度为：纵向加速度为±3g，横向加速度为±1g，垂向加速度为(1±c)*g，其中：g为重力加速度，取g=9.81m/s2，取c=2。载荷以加速度的方式施加，考虑如下8种组合工况：

表1 静强度计算工况

3.1.2模型参数

主横梁的材料属性和车下设备的质量如下表所示：

表2 主横梁的物理属性及力学性能

表3 车下设备重量

3.2 底架横梁仿真

本文选取用于吊装牵引逆变器的两个主横梁，采用Hypermesh对主横梁模型进行前处理，结构模型主要采用壳单元Shell181建立模拟，牵引逆变器的质量用质量元Mass21来模拟，主横梁与车体螺栓连接位置设置固定位移约束。

主横梁有限元模型共计单元总数27386，节点总数27592。

3.2.1 静强度计算结果

按照表1中的8种载荷工况对底架横梁进行计算，并对表中每个工况分别给出主横梁的最大应力值。

表4 各工况下主横梁应力极限值

从各工况的应力云图中可以看出，8种工况下的最大应力极限值都发生在主横梁吊耳位置处。工况3中，节点12344处所受载荷最大为117.4MPa,小于其材料的许用应力215MPa，满足强度设计要求。

本文针对此结构的主横梁，分析了不同重量的设备对主横梁的受力变化。分别取设备重量1600Kg和1700Kg，对主横梁进行有限元分析。

经分析后得出，在设备重量为1600Kg时，主横梁最大应力为213MPa,小于其材料的许用应力215MPa，设备重量为1700Kg时，主横梁受到的最大应力为226.2MPa,大于其材料的许用应力215MPa。因此，在使用此种结构的主横梁进行设备安装时，设备的自身最大重量参考值为1600Kg。

2. 总结

通过建立和求解福州5车下电气设备吊装的接触非线性有限元模型，对主横梁吊装结构设计的可靠性进行了验证。结果表明：在标准EN 12663-2010给出的八种计算载荷工况作用下，此种主横梁结构强度满足设计要求；同时计算出了本文中主横梁的吊装设备的最大重量参考值为1600Kg,对相同车型的车下设备安装可靠性提供了理论计算依据。

参考文献

[1]CENELEC.铁路设施-铁路车辆车身的结构要求:EN 12663—201O[S].Brussels:CENELEC,2010.

[2]吴群芳,白秀清,杨申森,等.磁浮车辆车下设备安装结构研究