聯(lián)鎖機柜動態(tài)特性分析與優(yōu)化

引言

鐵路信號設備在生產、運輸、儲存和運行等過程中會遭遇各式各樣的環(huán)境條件,通常要求產品在一些嚴酷的環(huán)境條件下能夠安全可靠地工作。為了驗證產品對環(huán)境的適應性,確定產品耐環(huán)境設計是否符合要求,通常需要進行環(huán)境試驗[1]。常見的環(huán)境試驗包括恒定濕熱試驗、低氣壓試驗、振動沖擊試驗、鹽霧試驗、防潮防水試驗等。其中,振動、沖擊試驗是環(huán)境試驗中較為重要的項目,能否通過振動、沖擊試驗直接影響著產品的使用可靠性。

聯(lián)鎖機柜是地鐵信號系統(tǒng)中的基礎設備,通常安裝在設備集中站的地面信號室中,屬于室內設備。與車載設備和軌旁設備不同的是,室內設備距離軌道較遠,一般對室內設備的抗振動沖擊能力不做要求。

隨著行業(yè)內部對城軌信號產品的可靠性越來越重視,對聯(lián)鎖設備的環(huán)境試驗要求也逐步提高。如表1所示,在2019年4月30日國家認證認可監(jiān)督管理委員會發(fā)布的《城市軌道交通裝備產品認證實施規(guī)則》中,對城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(tǒng)(CBTC)有了新的要求。其中,規(guī)定了ATP(ATO)車載設備、ATP地面設備、CI(聯(lián)鎖)設備和ATS設備都應當通過振動沖擊試驗。

本文以聯(lián)鎖機柜為研究對象,首先分析聯(lián)鎖機柜的內部結構,對聯(lián)鎖機柜進行三維建模,在不影響仿真結果的基礎上,對三維模型進行適當簡化并建立有限元模型,并進行模態(tài)分析,得出聯(lián)鎖機柜的各階模態(tài)和振型。其次,參照GB/T 32347.3—2015《軌道交通設備環(huán)境條件第3部分:信號和通信設備》,將相應振動參數(shù)輸入到有限元模型中模擬現(xiàn)實環(huán)境進行隨機振動分析,并針對分析出的機柜薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化。最后,通過優(yōu)化前后仿真分析結果對比得出相應結論。

1機柜建模

聯(lián)鎖機柜三維模型如圖1所示,由圖可以看出,機柜外部箱體由上下橫梁、4根立柱、左右側板和前后門組成。機柜內部由8根承重橫梁、4根豎梁、若干導軌梁組成。其中,8根承重梁固定在機柜外部箱體的4根立柱上,其余豎梁和導軌梁與外部箱體沒有直接接觸,4根豎梁固定在6根承重梁上,導軌梁固定在4根豎梁上,導軌梁用于承載組匣。

當機柜工作環(huán)境有振動發(fā)生時,振動由兩個路徑傳至聯(lián)鎖設備組匣。第一條路徑:振動由機柜底部橫梁傳入整個機柜,底部橫梁將振動傳至4根立柱,4根立柱傳到8根承重梁,8根承重梁傳到4根豎梁,再由4根豎梁傳至各個導軌梁,最終由導軌梁傳至組匣。

第二條路徑:由于組匣前面用皇冠螺釘直接固定在機柜前面2根立柱上,所以振動可由前面2根立柱直接傳至組匣。由此可知,振動的主要傳播路徑為機柜各橫豎梁,本次分析主要關注振型,非振動主要傳播路徑對振型影響不大,為了提高計算效率,在后面模型簡化時可將兩側蓋板、上下蓋板等非振動主要傳播路徑零件去除。同時,聯(lián)鎖設備組匣一般重量為20~25 kg,不裝設備的空機柜重量為100 kg左右,遠大于聯(lián)鎖設備組匣重量,由模態(tài)疊加理論可知,固有頻率與質量成反比,質量越小,一階固有頻率越大,若只關注聯(lián)鎖機柜的低頻振型,組匣的模態(tài)不會對聯(lián)鎖機柜整體低頻振型有太大影響。所以在后續(xù)分析過程中,可以忽略聯(lián)鎖設備組匣。最終簡化后的分析模型如圖2所示。

材料方面,為了貼近真實情況,機柜外部立柱和橫梁部分選用的是不銹鋼,機柜內部各橫豎梁選用的是冷軋鋼板。經(jīng)查表,添加的材料屬性如表2所示。

機柜整體采用單元solid45劃分,模型采用自由劃分網(wǎng)格方法,總共劃分了79 228個solid45單元,網(wǎng)格尺寸為40 mm,其有限元模型如圖3所示。由于機柜是直接固定在地面上,因此約束機柜底面四角的全部自由度作為邊界條件。

2機柜模態(tài)分析

在模態(tài)分析中,結構的無阻尼動力學方程為:

由式(3)可知,模態(tài)分析問題轉化為特征值提取問題,式中w為方程的特征值,開方得到結構的模態(tài)頻率,與特征值相對應的特征向量即模態(tài)振型,此方法也稱為“模態(tài)提取法”[2]。

采用Block Lanczos模態(tài)提取法對聯(lián)鎖機柜有限元模型進行求解,前6階模態(tài)頻率結果如表3所示,前6階振型云圖如圖4所示。

3隨機振動分析

振動波形雜亂無規(guī)律且無法預先確定某一時刻的瞬時值的振動被稱為隨機振動[3]。汽車在顛簸路面上行駛、建筑在風中或地震中產生的振動、飛機在飛行時產生的振動、船舶在海浪中的振動、火車行駛在鐵軌上的振動等都是隨機振動。一般隨機振動用在一定時刻的平均值、均方值、概率密度函數(shù)、功率譜密度來表達。

2015年12月31日發(fā)布的國標GB/T 32347.3—2015《軌道交通設備環(huán)境條件第3部分:信號和通信設備》中描述了軌道交通設備在鋼軌上、軌枕上、道床上、軌旁(距離最近的鋼軌1~3 m)4個位置受到的3個方向振動功率譜密度。由于國標中沒有規(guī)定室內設備應受到的振動功率譜密度,且室內設備受到的振動必定比軌旁設備小,所以選取國標中軌旁設備的振動標準對聯(lián)鎖機柜進行分析。國標中描述的軌旁功率譜密度如圖5所示。

根據(jù)軌旁振動加速度功率譜密度,將功率譜密度數(shù)據(jù)提取出來輸入到有限元模型中,并將3個方向的振動功率譜密度施加到機柜底部與地面接觸位置,作為邊界條件。輸入的功率譜密度如圖6所示。

設定好輸入?yún)?shù)和邊界條件后,對聯(lián)鎖機柜進行隨機振動求解。聯(lián)鎖機柜經(jīng)受隨機振動后3個方向的形變和等效應力如圖7所示。

由圖7可以看出,機柜在經(jīng)受X方向左右振動和Z方向前后振動時,整個機柜變形最大的位置為機柜頂部,說明在整個隨機振動過程中,機柜頂部振動X方向和Z方向較為劇烈。機柜在經(jīng)受Y方向垂直于地面上下振動時'機柜的振動變形主要集中在機柜內部各導軌橫梁上,說明在整個隨機振動過程中,導軌梁在Y方向振動較為劇烈。由此可以得出'機柜頂部和機柜內部各導軌梁為隨機振動中的薄弱環(huán)節(jié)。在今后機柜振動方面的設計中,需要注意以下兩點:一是要加強機柜頂部強度,提升機柜頂部X方向和Z方向的抗振性能,防止在隨機振動過程中出現(xiàn)損壞;二是要增強機柜內部各導軌梁Y方向的強度,導軌梁作為支撐聯(lián)鎖設備組匣的緊固件,其振動情況直接影響著聯(lián)鎖設備的使用可靠性,必要時需增加導軌梁用來限制組匣的Y方向振動。

4機柜優(yōu)化

原聯(lián)鎖機柜內部4根豎梁,分別為2根Z型豎梁和2根凹型豎梁,其中Z型豎梁高1 937.8 mm,凹型豎梁高1 937 mm,機柜上下橫梁間距2 000.5 mm,Z型豎梁和凹型豎梁通過承重橫梁固定在機柜框架上,均未與機柜上下橫梁有直接接觸。根據(jù)本文第3章中對聯(lián)鎖機柜的模態(tài)分析可知,機柜內部的Z型梁和凹型梁均為振動過程中的薄弱環(huán)節(jié),建議與機柜上下橫梁建立固定約束并增強其抗振性能。因此,對凹型梁進行優(yōu)化設計,將凹型梁的高度增加至2 000.5 mm,在凹型梁兩端增加兩片折彎固定端板,并在固定端板上開孔,通過螺釘緊固在機柜上下橫梁上,豎梁的尺寸和豎梁端部如圖8和圖9所示。由于凹型梁在結構上抗彎扭能力要優(yōu)于Z型梁,所以將機柜內部豎梁布局由2根Z型豎梁、2根凹型豎梁替換為4根凹型豎梁,以提高機柜內部豎梁的抗振性能。

將優(yōu)化后的豎梁適當簡化裝配到機柜有限元模型中,并對優(yōu)化后的機柜有限元模型進行模態(tài)分析和隨機振動分析,其仿真分析結果如圖10所示。

由圖10中振型圖可以看出,前6階模態(tài)的振動方式和振動方向與優(yōu)化前機柜大體相同,不同的是,優(yōu)化后機柜振動劇烈的部位不再是機柜內部4根豎梁,而是機柜后側2根立柱,這是由于機柜內部豎梁強度加強且豎梁布局整體偏前部。

優(yōu)化前后機柜振動最大位移和隨機振動3個方向最大形變對比如表4所示。

由表4可以看出,優(yōu)化后的機柜較優(yōu)化前在抗振性能上有顯著提升。其中,前6階模態(tài)振動最大位移較優(yōu)化前均有所減小,其中第3階、第5階和第6階模態(tài)的振動最大位移降低較多,比優(yōu)化前分別降低了34.02%、32.55%和29.79%。通過觀察第3階、第5階和第6階模態(tài)振型可以發(fā)現(xiàn),機柜內部4根立柱正是振動的主要參與環(huán)節(jié),說明此優(yōu)化方案的方向是正確的。從表4中最大形變數(shù)據(jù)可以看出,在隨機振動過程中,優(yōu)化后的機柜較優(yōu)化前3個方向的最大形變均有所減少,說明優(yōu)化后的機柜抗振性能更好。表4中等效應力增加是因為應力集中所致,應力集中的位置主要為優(yōu)化后的凹型豎梁新增端板折彎處,在后續(xù)設計中,應盡量解決該應力集中問題,以防折彎處開裂。

5結論

本文首先通過對聯(lián)鎖機柜架構的分析,將機柜三維模型做了適當簡化,建立了聯(lián)鎖機柜有限元模型并進行了模態(tài)分析。通過分析各階振型,得出了機柜頂部和機柜內部4根豎梁為振動過程中薄弱環(huán)節(jié),建議在設計階段注意不要將重要設備放置在頂層,頂層只放置重量較輕的組匣設備,最好空置,重量大的設備越往下放置越好,同時在機柜框架設計和橫豎梁布局設計時注意最好將機柜內部4根豎梁與機柜外部上下橫梁固定,以減弱4根豎梁的振動。

其次,將國標中提供的軌旁振動數(shù)據(jù)輸入到有限元模型中對機柜有限元模型進行了隨機振動分析,得出并分析了聯(lián)鎖機柜經(jīng)過隨機振動后的3個方向形變及等效強度。發(fā)現(xiàn)在隨機振動過程中,機柜的頂部和機柜內部導軌梁為振動過程中的薄弱環(huán)節(jié)。機柜的頂部在X方向(左右)和Z方向(前后)振動較為劇烈,機柜內部的導軌梁在Y方向(上下)的振動較為劇烈。建議在今后機柜振動方面的設計中,要加強機柜頂部強度,提升機柜頂部X方向和Z方向的抗振性能,同時要增強機柜內部各導軌梁Y方向的強度,必要時需增加導軌梁用來限制組匣的Y方向振動。

最后,按照模態(tài)分析和隨機振動仿真的分析結果,對機柜內部的豎梁布局和凹型梁結構進行優(yōu)化,并對優(yōu)化后的機柜有限元模型進行了模態(tài)分析和隨機振動仿真。將優(yōu)化前后機柜的振動參數(shù)進行對比,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的機柜在抗振性方面有所提升,進一步驗證了優(yōu)化方向的正確性,可為后續(xù)結構優(yōu)化指明方向。