地铁列车自动控制天线支架结构改进设计

2014-06-21张明阳龙章华

城市轨道交通研究 2014年3期

张明阳龙章华

（中国南车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，工程师）

本文所述ATC（列车自动控制）天线支架是为地铁车辆设计的新型结构，作为ATC天线及轮缘润滑喷嘴的安装座，安装于转向架端部。其结构的可靠性和承受振动冲击的能力，将直接影响车辆系统信号接收及车辆运行的安全，因此必须保证其强度和刚度满足设计要求，同时还应具有良好的动力学性能。为验证此ATC天线支架的结构强度及在车辆正常振动和冲击环境下承受振动冲击的能力，对原型支架进行了强度计算和振动冲击试验。原型支架经计算满足静强度要求，但却未能通过振动冲击试验，在试验过程中发生了断裂。

为分析原型支架发生断裂的原因，并对其结构进行改进设计，在改进设计阶段对其进行动力学特性的预测和仿真分析。HyperWorks作为高效的CAE软件工具集前后处理与求解器于一体，功能全面、操作便捷。因此，利用HyperWorks工具对原型支架进行了模态分析，并进一步讨论了原形支架结构的改进途径。经综合考虑之后，对原型支架进行了改进设计，并再次对改进的支架进行计算分析和试验验证，使之最终满足设计要求。

1 原型支架的模态分析

1.1 模型的建立

原ATC天线支架主要由ATC天线安装支架、轮缘润滑器喷嘴安装板和筋板等3个部分组成，如图1所示。

图1 原型ATC天线支架的几何模型

使用CAD（计算机辅助设计）软件CATIA工具创建ATC天线支架几何模型，然后将几何模型导入HyperMesh工具进行几何清理，最后采用四面体单元对模型进行网格划分，从而对ATC天线支架建立了有限元模型。图2为建立的原型支架有限元计算模型，其模型结点数为37 922个，单元数为155 748个。

1.2 ATC天线支架的材料属性

ATC天线支架所用钢板材料牌号为P355NL1，其材料参数如下：①屈服强度为355 MPa；②弹性模量为210GPa；③材料密度为7 850 kg／m3；④泊松比为0.3。

图2 原型ATC天线支架的有限元计算模型

1.3 模态分析及改进设计

因天线支架通过螺栓固定于转向架构架端部，在实际运行过程中主要承受中低频振动，所以较低频率的振动现象较为显著，过高频率的振动对其影响可忽略不计。因此，在天线支架上端部4个螺栓孔处设定约束，锁定全部6个自由度，使用RADIOSS求解器对天线支架模型进行约束模态分析，采用Block Lanczos模态提取方法，仅计算前6阶模态的固有频率和相应振型。1～6阶模态频率分析结果如表1所示。

表1 原型ATC天线支架模态分析结果

根据天线支架的结构和功能特点，更关注的是其1阶垂弯模态，如图3所示。

图3 原型ATC天线支架1阶模态振型云图

从图3中可以看出：其1阶模态主要由ATC天线安装支架的弯曲模态组成，其中支架下端部的摆动幅度最大；支架1阶垂弯模态频率为29.1Hz，此频率过低，并与试验测得低阶激振频率相接近，故在运行过程中可能会发生共振，影响车辆系统信号的接收，甚至可能会导致支架断裂，危及行车安全。因此，原型支架整体刚度不足，不满足设计要求，需进行改进设计。拟定可行的设计改进方案有以下3种：

1）采用其它材料，增强支架的支持强度；

2）增加支架板厚，从而增强其整体刚度，进而改善其模态；

3）在相应振幅较大处设置补强板，改善其整体抗振性能。

经综合考虑材料、成本、工艺、造型及生产实际等各方面因素，采用上述第3种方案较为合理。因此，在ATC天线支架纵向中间位置设置了补强板。改进后的实体模型如图4所示。