卢玉丹，李琛玫，丁伟民

(中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

电力机车网侧柜安装了用于隔离受电弓的高压隔离开关和用于接通/断开25 kV电源的真空断路器、检测接触网电压的高压互感器、避雷器等高压部件，其主要承载的电气部件体型大、重量大。为满足机车高可靠性、高安全性的运行，网侧柜柜体必须具有足够的强度和刚度。

以往项目中为验证网侧柜设计合理性，会选取某个网侧柜进行试验验证，但每台机车运行时的路况及工作环境均有不同，网侧柜制造时或多或少存在制造误差，试验合格只能证明试验样品满足设计要求不能代替所有产品。通过网侧柜结构及材料特性的特点、设备布置介绍，结合静强度、疲劳强度、模态、振动长寿命等仿真分析，网侧柜模态试验等多维度验证其设计的合理性，避免振动冲击试验对网侧柜骨架及器件的损耗。

1 网侧柜结构及设备布置

网侧柜内安装有高压隔离开关、高压互感器、真空断路器、高压接地开关、避雷器各1个，网侧柜主要框架及安装重量较大的安装座均采用符合GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》要求的高强度性能Q345钢材，材料机械性能(见表1)。网侧柜柜体尺寸长×宽×高为1 500 mm×1 050 mm×2 200 mm，网侧柜骨架重约410 kg，网侧柜总体重量约为710 kg，网侧柜三维效果如图1所示。

表1 材料机械性能参数

图1 网侧柜三维效果图

网侧柜内右侧墙安装1个支撑绝缘子，用于连接车顶受电弓侧25 kV高压电缆，高压电缆通过支撑绝缘子转接到真空断路器输入端；左侧墙安装1个高压隔离开关，用于连接另一端车顶受电弓侧25 kV高压电缆，高压电缆通过高压隔离开关转接到真空断路器输出端；网侧柜后侧墙上安装1个高压电压互感器，它和真空断路器的输入端并联，用于检测25 kV网压；柜体底部安装有真空断路器、高压接地开关(检修网侧柜，保障安全接地)、避雷器(吸收变压器侧操作过电压)各1个；柜内避雷器与真空主断路器输出端连接，并通过母排转接到主变压器的高压输入端；设备布置如图2所示。

图2 设备布置(隐藏门)

2 柜体仿真分析

2.1 柜体静强度、疲劳强度

用ANSLS软件对网侧柜开展有限元分析，根据标准EN 12663-1：2010+A1：2014《铁路应用 铁路机车车辆车体结构要求 第1部分：机车和旅客列车(和货车的替代方法)》中规定:在超常载荷工况下，要求网侧柜体能够分别承受纵向±3 g、横向±1 g、垂向±c g(g为重力加速度，c值在车体中部取0.5，在车体端部取2)；同时，分别考虑柜体自重载荷，在这些惯性力的冲击下不出现塑性变形，网侧柜安装在车体端部，在运用载荷工况下，要求柜体能够分别承受相当于纵向±0.15 g、横向±0.2 g、垂向(1±0.25)g的惯性力冲击而不出现疲劳破坏；在模拟仿真分析时将网侧柜组合成6个静强度计算工况和8个疲劳计算工况。

计算结果显示：静载荷各个计算工况下网侧柜的最大应力为185.413 MPa，发生在门边缘封板焊接处(见图3)，材料焊缝许用应力为313.6 MPa，安全系数为1.69；母材与HAZ区材料利用率分布(见图4)，母材与HAZ区材料最大利用率0.86，发生在起吊安装立柱焊接处。综上所述，网侧柜的强度及运营工况下疲劳强度满足标准要求。

图3 网侧柜最大等效应力及位置

图4 母材和HAZ材料利用率分布图

2.2 柜体模态

为进一步详细分析网侧柜骨架及其真空断路器安装座、高压互感器安装板、支撑绝缘子安装板、避雷器安装板、高压隔离开关安装板等模态振动特性，以确保网侧柜结构的安全及稳定性，使用ANSLS软件选取1-40阶、至少涵盖1-100 Hz频率范围进行模态分析。

根据计算结果显示：网侧柜在不加约束情况下一阶最低自振频率发生在左侧封板上为23.503 Hz(见图5)；根据标准TB/T 3451-2016《动车组车体结构强度设计及试验》中规定：车体刚度应确保整备状态下车体的一阶垂向弯曲自振频率与转向架的点头和沉浮自振频率的比值大于1.4或车体的一阶垂向弯曲自振频率不低于10 Hz。对比网侧柜下方车体自振频率，网侧柜一阶自振频率为23.503 Hz，可有效避免与车体的共振发生。

图5 网侧柜一阶自振模态频率

2.3 振动长寿命分析

为了检验设备质量确保安全，必须模拟设备使用期内实际工作条件，进行适当的持久使用，根据标准IEC 61373-1 2010《铁路应用——机车车辆设备—冲击和振动试验》要求，使用Hypermesh对网侧柜以Ⅰ类-A级-车身装-ASD频谱进行模拟振动长寿命计算，计算结果网侧柜纵向、横向、垂向疲劳振动寿命均大于5 h(18 000 s)，激励疲劳寿命云图(见图6、7、8)，纵向激励疲劳寿命的垂向谱值为4.120 6×104(m/s2)2/Hz，横向激励疲劳寿命的垂向谱值为2.448×107(m/s2)2/Hz，垂向激励疲劳寿命的垂向谱值为2.25×105(m/s2)2/Hz，根据模拟振动疲劳寿命分析显示网侧柜满足IEC 61373-1 2010《铁路应用——机车车辆设备—冲击和振动试验》疲劳寿命要求。

图6 纵向激励疲劳寿命云图

图7 横向激励疲劳寿命云图

图8 垂向激励疲劳寿命云图

3 模态试验

根据标准TB/T 3502-2018《铁道客车及动车组模态试验方法及评定》对网侧柜进行试验，将网侧柜至于橡胶垫上，使柜体尽可能的处于自由状态，测试网侧柜的固有属性。试验结果显示柜体最低固有频率为23.947 Hz，阻尼比为0.54%，发生在柜体菱形搓动后侧墙底梁一阶垂向弯曲，前面板上部2根横梁一阶横向弯曲；网侧柜试验结果见图9所示。试验证明网侧柜一阶自振频率23.947 Hz，大于车体的一阶垂向弯曲自振频率，网侧柜模态满足要求。

图9 网侧柜冲击激励测试结果

4 结语

通过对网侧柜使用材料性能分析，结合静强度、疲劳强度、模态、振动长寿命模拟仿真计算，并对网侧柜进行了实际模态试验验证，结果表明网侧柜结构设计的安全裕量大于标准要求。多维度的仿真计算分析可验证网侧柜结构设计的符合性，为后续电气屏柜的设计具有指导意义。