低速混合动力调车机车制动设备安装柜设计分析及强度计算

低速混合动力调车机车制动设备安装柜设计分析及强度计算

麻晓亮 孙健

中车大连机车车辆有限公司机车开发部，辽宁 大连 116021

摘要：介绍了低速混合动力调车机车制动设备安装柜的功能及设计方法, 并通过强度计算及有限元强度分析，证明了辅助多功能柜的设计满足机车运用要求。

关键词：混合动力；制动设备；有限元分析

1前言

低速油电混合动力调车机车用于冶金企业炉前牵引铁水罐车辆。作业区间为炼铁高炉和炼钢炉之间。铁路线路为1435mm标准轨线路，机车限界符合相关企业要求的限界。

机车的主要技术特征如下：机车以超级电容装置和柴油机作为动力装置，以超级电容装置为首选，超级电容装置输出功率270kW，柴油机输出功率为310kW；主传动为交—直—交流电传动，电气控制系统采用车载微机控制，采用遥控装置和无人驾驶系统；机车采用外走廊罩式车体，底架承载结构；机车两端部的左侧各设机车操纵位；机车轴式为B0-B0，即机车设有两个结构相同的两轴转向架；机车采用电控空气制动机。

2 制动设备安装柜

低速油电混合动力调车机车制动系统由制动控制系统、风源系统、辅助控制系统组成。各系统主要制动的设备集成在制动设备安装柜中，如图1所示。

图1 制动设备安装柜

2.1 制动控制系统

机车采用直通控制方式的制动机（无分配阀），由遥控设备控制机车制动。

机车制动机由电控制动机、空气作用阀组成。具有机车常用制动、紧急制动功能。可实现空电联合制动功能。

2.2 风源系统

风源系统由1台螺杆式空压机、1台干燥器、两个200L总风缸等组成。

螺杆式空压机主要技术参数如下：

额定流量： 0.31 m3/min,

额定排气压力： 1000kPa

驱动电机额定功率： 3.5 kW

三相异步电动机： 380V/50Hz

是否具有连续运转功能： 有

冷却方式：风冷，侧排风

空气干燥器主要技术参数如下：

额定流量： 大于 0.35m³/min

工作压力： 1000kPa

工作电压： DC110V

型式： 双塔式

吸附剂： 分子筛

处理后：符合ISO 8573-1：2001《一般用途压缩空气第1部分-杂质和质量等级》中规定的固体颗粒3级、湿度等级3级、含油量3级的要求。

2.3 辅助控制系统

辅助控制系统由鸣笛供风、撒砂供风、刮雨器供风、停放制动供风等组成。

3制动部件的布置

制动设备安装柜的空间尺寸根据机车总体空间布置要求，采用集成化、模块化的设计理念，安装了空压机、干燥器、总风缸、电控制动机、停放风缸、压力开关、传感器、各种阀类部件等等。为了节约空间和成本，制动设备安装柜的设计尺寸为：1614mx1100x1920mm（长x宽x高），此尺寸为以后遥控调车制动系统的设计提供了很好的参考和借鉴价值。

两个200L的总风缸由风缸卡带对称固定在柜子后方的横梁上。螺杆式空气压缩机、空气干燥器和空气过滤器集成为供风模块，安装在柜体底部。制动机和停放风缸固定在柜体前方横梁上。塞门、作用阀、电磁阀等部件安装在柜体左右两侧。管路接口位于柜体下部，通过卡套式管接头与机车管排系统的管路连结。

制动设备安装柜底部通过螺栓固定在动力间的台架上，上方左右两侧各通过连接板与电气柜相连接，以减轻柜体振动。

4强度计算

4.1采用的标准规范及计算软件

4.1.1 BS EN 12663-1:2010 Railway applications--Structural requirements of railway vehicle bodies（铁路应用—铁道车辆车体的结构要求-1）；

4.1.2 GB/T 700—2006 碳素结构钢；

4.1.3 ERRI B 12/RP 17,7th Edition（ERRI B12/RP 17，第7版）；

4.1.4 计算软件：ANSYS。

4.2 有限元计算模型

有限元计算模型主要采用板单元建立。首先利用CAD软件建立三维实体模型，然后导入ANSYS有限元分析软件，抽取中面后，采用四边形板单元对实体模型进行离散，经过处理生成计算模型。各设备质量以质量点的形式模拟，螺栓连接部分简化为绑定接触连接。计算模型中节点总数为76698个，单元总数为75543个。

4.3 计算参数及载荷

根据标准BS EN 12663-1:2010，制动设备安装柜安装在靠近车体中部位置，超常载荷强度要求应能承受垂向（1±0.7）g（c=0.7，根据质心距车体中心的距离线性插值计算所得）、横向±1g和纵向±3g的自身质量的惯性力冲击；常用载荷强度要求应能承受垂向（1±0.25）g、横向±0.2g和纵向±0.15g的自身质量的惯性力冲击。

4.4 边界条件及载荷施加方式

根据制动设备安装柜实际工作状态，在柜体与车体底架安装位置施加三向固定约束，在柜体与隔墙横梁连接螺栓孔位置施加三向固定约束，在整体施加各方向的惯性加速度。

4.5 静强度计算结果分析

各工况的最大等效应力(即Von Mises应力，下文同)及出现位置见表1。

表1 静强度计算结果及最大应力位置

4.6 疲劳强度计算结果分析

根据制动设备安装柜的受力分析和焊缝位置，本计算选取所有焊缝部位的节点来校核其疲劳强度。对疲劳工况的计算结果进行了处理，提取了焊缝部位非中间节点的主应力及其方向余弦，如图2所示。利用ANSYS APDL与Matlab联合编程，完成了各节点σmax、σmin、σm及σa的计算。表2列出了疲劳强度效用因子前20节点。

图2 所有焊缝部位示意图（绿色加亮部分）

表2 疲劳强度效用因子前20节点列表

4.7 强度分析计算结果

通过对低速混动调车制动设备安装柜进行静强度计算分析，该结构在静强度工况下最大应力均小于材料的许用应力，即效用系数均小于1，表明静强度满足相关设计标准的要求。

通过对低速混动调车制动设备安装柜进行疲劳强度计算分析，该结构所有提取节点的应力最大、最小值均在Goodman曲线确定的疲劳极限范围内，表明疲劳强度满足相关设计标准的要求。

5 结束语

综上，制动设备安装柜根据模块化、集成化的设计理念，将制动控制系统、风源系统、辅助控制系统高度集成，最大化节省安装空间，具有良好的经济和技术价值。对于冶金企业炉前使用的具有遥控功能的机车产品，制动设备安装柜具有广泛的应用和参考价值。对于其他需要制动设备集成、风源系统集成等要求的机车产品，也有很好的设计参考和借鉴价值。

参考文献：

1. EN12663-1-2010，铁路车辆车体的机构强度要求[S].

2. 崔宇.内燃机车空气制动柜简统化设计 [J]. 铁道机车与动车,2020 (02)

作者简介：麻晓亮（1987-），男，辽宁大连人，工程师。