孔德帥，金 哲，張 寶，裴正武，張建海

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；3 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路與城軌交通系統(tǒng)技術(shù)國家工程研究中心，北京 100081）

高速化、智能化是未來世界鐵路發(fā)展的主要研究領(lǐng)域。運(yùn)營速度的提高對(duì)車輛的輕量化程度提出了更高的要求，輕量化的車輛不僅可以節(jié)約能源、降低運(yùn)營成本，也有利于牽引功率的發(fā)揮和制動(dòng)性能的改善，同時(shí)車輛質(zhì)量減輕可以減小轉(zhuǎn)向架對(duì)輪軌之間的動(dòng)作用力，抑制振動(dòng)和噪聲，對(duì)鐵路的使用壽命和車輛的運(yùn)用情況都具有著良好的作用［1］。智能化的實(shí)現(xiàn)需要在車體構(gòu)架的有限空間內(nèi)安裝更多的智能化設(shè)備，這就對(duì)車體構(gòu)件提出了更加嚴(yán)格的緊湊化和輕量化的要求。

制動(dòng)控制裝置是安裝在動(dòng)車組每輛車上實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制功能的裝置，也稱作制動(dòng)控制單元。主要由電子制動(dòng)控制單元、氣動(dòng)控制單元和附件組成。制動(dòng)控制裝置具有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、制動(dòng)防滑控制、監(jiān)測(cè)、診斷、記錄等功能，并具有停放制動(dòng)、制動(dòng)力分級(jí)控制、保持制動(dòng)等功能［2］。制動(dòng)控制裝置主要由支撐箱體、電子機(jī)械模塊、制動(dòng)控制模塊、供風(fēng)及空簧控制模塊、分配閥模塊、停放控制模塊等組成。文中以承載電子和氣動(dòng)控制單元的箱體為研究對(duì)象，采用有限元分析方法在設(shè)計(jì)階段對(duì)多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)化。

1 方案設(shè)計(jì)

高速動(dòng)車組在運(yùn)行過程中會(huì)對(duì)車下設(shè)備產(chǎn)生較大的沖擊振動(dòng)［3］，因此制動(dòng)控制裝置箱體在沖擊載荷的作用下應(yīng)滿足一定強(qiáng)度和剛度，除此之外，為了保護(hù)箱體內(nèi)部安裝的電子器件和精密閥件，對(duì)制動(dòng)控制裝置箱體的防水防塵也提出了較高的要求。在滿足以上要求的前提下，設(shè)計(jì)過程采用薄壁的高強(qiáng)度鋼板和低密度鋁合金材料2種方式來實(shí)現(xiàn)箱體的輕量化，設(shè)計(jì)了3種方案，如圖1所示。方案1和方案2在結(jié)構(gòu)上采用傳統(tǒng)的箱體設(shè)計(jì)方法，使用吊梁懸掛箱體，箱體形狀趨于規(guī)則，箱體與吊梁通過焊接方式連接，因此整個(gè)箱體壁面都承受較大的應(yīng)力；方案3則使用吊架懸掛支撐安裝板作為主要的應(yīng)力傳遞路徑，將不承力的箱體面板壁厚減薄，同時(shí)將箱體內(nèi)體積較大的電子機(jī)械模塊凸出箱體安裝，以減小箱體的寬度和體積。方案1采用的材料為碳鋼，方案2和方案3采用低密度鋁合金。

圖1 設(shè)計(jì)方案示意圖

圖1所示的3種設(shè)計(jì)方案中箱體各零件的厚度見表1，與碳鋼箱體相比鋁合金箱體須增加零件的厚度以提升強(qiáng)度和剛度。各設(shè)計(jì)方案最終的質(zhì)量和體積見表2，鋁合金箱體與碳鋼相比能實(shí)現(xiàn)減重約38%，設(shè)計(jì)方案3箱體的體積與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的箱體相比減少約10%。

表1 名稱及厚度

表2 箱體的主要物理參數(shù)

2 優(yōu)化分析

采用有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度、剛度等方面進(jìn)行綜合評(píng)估。

2.1 分析建模

分析過程采用殼單元對(duì)箱體進(jìn)行簡(jiǎn)化，箱體內(nèi)各部分質(zhì)量均采用在質(zhì)心位置設(shè)置Mass質(zhì)量點(diǎn)模擬并通過Rigid耦合到箱體安裝板相應(yīng)的連接孔處［4］；電子機(jī)械模塊、制動(dòng)控制模塊、塞門模塊、供風(fēng)及空簧控制模塊、分配閥模塊總成、停放控制模塊、機(jī)箱1及機(jī)箱2等位置如圖2所示，質(zhì)量信息見表3。約束箱體與車輛連接孔處所有的自由度。

表3 制動(dòng)控制裝置箱體的質(zhì)量信息

圖2 制動(dòng)控制裝置箱體的有限元模型

箱體設(shè)計(jì)時(shí)選用鋁合金材料5083，鋁合金5083的主要合金元素為鎂，具有良好的抗腐蝕性與可焊接性以及中等強(qiáng)度，碳鋼選用低合金高強(qiáng)度鋼板Q345E，其材料的性能參數(shù)見表4。

表4 主要材料的性能參數(shù)

2.2 超常工況分析

超常載荷是指動(dòng)車組運(yùn)營中可能承受的最大載荷［5］，其在車輛服役過程中可能出現(xiàn)的次數(shù)較少。根據(jù)EN 12663要求，考慮制動(dòng)控制裝置在車下的安裝位置，確定車輛在行駛過程中的3個(gè)加速度，車輛縱向加速度為3g，橫向加速度為1g，垂向加速度3g（g=9.8 m/s2）［6］，3個(gè)方向加速度的組合工況見表5。

表5 超常載荷組合工況 單位：g

利用簡(jiǎn)化的有限元模型求出超常載荷各工況下制動(dòng)控制裝置箱體的最大應(yīng)力，并根據(jù)表4中材料的屈服強(qiáng)度求出箱體的最小安全系數(shù)，如圖3所示，其中實(shí)心標(biāo)識(shí)的曲線標(biāo)識(shí)最大Mises，虛心標(biāo)識(shí)的曲線標(biāo)識(shí)安全系數(shù)。各方案箱體在超常載荷組合工況下的最大應(yīng)力水平分布趨勢(shì)一致，且方案2與方案3的最小安全系數(shù)接近，方案1的最小安全系數(shù)最高，各設(shè)計(jì)方案箱體對(duì)橫向沖擊載荷的安全系數(shù)最高。各方案箱體在組合工況7下的最大應(yīng)力最高，但安全系數(shù)均大于EN 12663要求的1.15。

圖3 箱體在超常載荷組合工況下的最大應(yīng)力及安全系數(shù)

由圖2可知，制動(dòng)控制裝置箱體內(nèi)各功能模塊均安裝在后背板上，且各模塊總重心分布偏左，因此制動(dòng)控制裝置箱體的后背板和左吊梁的受力環(huán)境相對(duì)惡劣，輕量化的薄板結(jié)構(gòu)往往會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的剛度不足，引起振動(dòng)惡化。箱體后背板及左吊梁在超常載荷各組合工況下的最大變形量分布如圖4所示。求解結(jié)果顯示，方案3箱體后背板在上下面板附近設(shè)有折彎特征，且有8 mm厚的吊梁在側(cè)面全部支撐，變形量小于傳統(tǒng)的箱體設(shè)計(jì)方案；方案3吊架梁處變形量也相對(duì)小于其他設(shè)計(jì)方案。因此，方案3的主要承力零件具有較好的剛度。

圖4 箱體主要零件在超常載荷組合工況下的最大變形量

2.3 模擬運(yùn)營工況分析

模擬運(yùn)營載荷是指動(dòng)車組在運(yùn)營中經(jīng)常承受的交變載荷，出現(xiàn)極為頻繁［7］。根據(jù)EN 12663要求對(duì)制動(dòng)控制裝置采用經(jīng)驗(yàn)加速度進(jìn)行分析，制動(dòng)控制裝置在車輛運(yùn)行時(shí)同時(shí)承受多個(gè)方向的加速度，對(duì)3個(gè)方向的振動(dòng)沖擊疲勞載荷進(jìn)行組合見表6。

表6 模擬運(yùn)營載荷組合工況 單位：g

根據(jù)《焊接接頭與部件的疲勞設(shè)計(jì)方法（IIW）》標(biāo)準(zhǔn)鋁結(jié)構(gòu)母材/焊接接頭疲勞許用應(yīng)力的相關(guān)規(guī)定鋁板疲勞許用應(yīng)力范圍為71 MPa，鋼板疲勞許用應(yīng)力范圍為160 MPa；雙邊對(duì)齊型焊接頭、融透、焊后修磨焊縫：鋁材料焊縫區(qū)域疲勞許用應(yīng)力范圍為28 MPa，鋼材料焊縫區(qū)域疲勞許用應(yīng)力范圍為80 MPa。

利用簡(jiǎn)化的有限元模型求出模擬運(yùn)營各工況下制動(dòng)控制裝置箱體的最大應(yīng)力，其位置均位于吊梁與車體的連接孔處屬于母材區(qū)域，并根據(jù)IIW求出母材的最小安全系數(shù)如圖5所示，其中實(shí)心標(biāo)識(shí)的曲線標(biāo)識(shí)最大Mises，虛心標(biāo)識(shí)的曲線標(biāo)識(shí)安全系數(shù)。方案1在工況4下的最大應(yīng)力值最大（52.64 MPa），因此母材與焊縫的最小安全系數(shù)均遠(yuǎn)大于EN 12663要求的1.25。方案2與方案3各工況下的最小安全系數(shù)接近，且在模擬運(yùn)營組合工況4下最小，且方案2略高于方案3，但均大于EN 12663要求的1.25。

圖5 箱體母材在模擬運(yùn)營組合工況下的最大應(yīng)力及最小安全系數(shù)

制動(dòng)控制裝置箱體后背板和吊梁為主要的承力部件，通過計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云圖顯示可以看出吊梁與后背板連接的焊縫處屬于焊縫最大應(yīng)力區(qū)域，如圖6所示。

圖6 模擬運(yùn)營組合工況下的應(yīng)力云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果提取方案2、方案3吊梁與后背板焊接處節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值如圖7所示，可以看出方案2焊縫的最大應(yīng)力值為12.7 MPa，發(fā)生在工況3右側(cè)焊縫，最小安全系數(shù)為2.20；方案3焊縫的最大應(yīng)力值為9.2 MPa，發(fā)生在工況3左側(cè)焊縫，最小安全系數(shù)為3.04，且方案3焊縫處的應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象較少。

圖7 后背板與吊梁焊縫處的應(yīng)力分布

2.4 模態(tài)分析

根據(jù)簡(jiǎn)化的有限元模型進(jìn)行制動(dòng)控制裝置箱體的模態(tài)分析，提取箱體的前5階固有頻率如圖8所示，結(jié)果表明方案3的前5階固有頻率均大于其他方案，所以方案3具有更高的整體剛度。且方案3的1階固有頻率為25.4 Hz，避開了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的高能量振動(dòng)的頻率范圍（5~20 Hz），其振型主要表現(xiàn)為后背板的彎曲，如圖9所示。

圖8 制動(dòng)控制裝置箱體前5階固有頻率對(duì)比

圖9 方案3制動(dòng)控制裝置箱體的1階振型

3 結(jié)論

（1）高速動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置箱體新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，與碳鋼結(jié)構(gòu)相比質(zhì)量減輕約38%，與傳統(tǒng)的箱體結(jié)構(gòu)相比占用體積減小約10%，有效地實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)控制裝置的輕量化與緊湊化。

（2）在超常載荷作用下，高速動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置箱體新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的鋁合金箱體結(jié)構(gòu)相比，靜強(qiáng)度最小安全系數(shù)近似，但主要承力部件的后背板與吊梁的剛度優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁合金箱體結(jié)構(gòu)。

（3）在模擬運(yùn)營載荷作用下，高速動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置箱體新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的鋁合金箱體結(jié)構(gòu)相比，箱體母材疲勞強(qiáng)度最小安全系數(shù)近似，但焊縫的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁合金箱體結(jié)構(gòu)。

（4）高速動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置箱體新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，前5階固有頻率均高于其他方案，表明該結(jié)構(gòu)具有較高的整體剛度。