联锁机柜动态特性分析与优化

引言

铁路信号设备在生产、运输、储存和运行等过程中会遭遇各式各样的环境条件,通常要求产品在一些严酷的环境条件下能够安全可靠地工作。为了验证产品对环境的适应性,确定产品耐环境设计是否符合要求,通常需要进行环境试验[1]。常见的环境试验包括恒定湿热试验、低气压试验、振动冲击试验、盐雾试验、防潮防水试验等。其中,振动、冲击试验是环境试验中较为重要的项目,能否通过振动、冲击试验直接影响着产品的使用可靠性。

联锁机柜是地铁信号系统中的基础设备,通常安装在设备集中站的地面信号室中,属于室内设备。与车载设备和轨旁设备不同的是,室内设备距离轨道较远,一般对室内设备的抗振动冲击能力不做要求。

随着行业内部对城轨信号产品的可靠性越来越重视,对联锁设备的环境试验要求也逐步提高。如表1所示,在2019年4月30日国家认证认可监督管理委员会发布的《城市轨道交通装备产品认证实施规则》中,对城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统(CBTC)有了新的要求。其中,规定了ATP(ATO)车载设备、ATP地面设备、CI(联锁)设备和ATS设备都应当通过振动冲击试验。

本文以联锁机柜为研究对象,首先分析联锁机柜的内部结构,对联锁机柜进行三维建模,在不影响仿真结果的基础上,对三维模型进行适当简化并建立有限元模型,并进行模态分析,得出联锁机柜的各阶模态和振型。其次,参照GB/T 32347.3—2015《轨道交通设备环境条件第3部分:信号和通信设备》,将相应振动参数输入到有限元模型中模拟现实环境进行随机振动分析,并针对分析出的机柜薄弱环节进行优化。最后,通过优化前后仿真分析结果对比得出相应结论。

1机柜建模

联锁机柜三维模型如图1所示,由图可以看出,机柜外部箱体由上下横梁、4根立柱、左右侧板和前后门组成。机柜内部由8根承重横梁、4根竖梁、若干导轨梁组成。其中,8根承重梁固定在机柜外部箱体的4根立柱上,其余竖梁和导轨梁与外部箱体没有直接接触,4根竖梁固定在6根承重梁上,导轨梁固定在4根竖梁上,导轨梁用于承载组匣。

当机柜工作环境有振动发生时,振动由两个路径传至联锁设备组匣。第一条路径:振动由机柜底部横梁传入整个机柜,底部横梁将振动传至4根立柱,4根立柱传到8根承重梁,8根承重梁传到4根竖梁,再由4根竖梁传至各个导轨梁,最终由导轨梁传至组匣。

第二条路径:由于组匣前面用皇冠螺钉直接固定在机柜前面2根立柱上,所以振动可由前面2根立柱直接传至组匣。由此可知,振动的主要传播路径为机柜各横竖梁,本次分析主要关注振型,非振动主要传播路径对振型影响不大,为了提高计算效率,在后面模型简化时可将两侧盖板、上下盖板等非振动主要传播路径零件去除。同时,联锁设备组匣一般重量为20~25 kg,不装设备的空机柜重量为100 kg左右,远大于联锁设备组匣重量,由模态叠加理论可知,固有频率与质量成反比,质量越小,一阶固有频率越大,若只关注联锁机柜的低频振型,组匣的模态不会对联锁机柜整体低频振型有太大影响。所以在后续分析过程中,可以忽略联锁设备组匣。最终简化后的分析模型如图2所示。

材料方面,为了贴近真实情况,机柜外部立柱和横梁部分选用的是不锈钢,机柜内部各横竖梁选用的是冷轧钢板。经查表,添加的材料属性如表2所示。

机柜整体采用单元solid45划分,模型采用自由划分网格方法,总共划分了79 228个solid45单元,网格尺寸为40 mm,其有限元模型如图3所示。由于机柜是直接固定在地面上,因此约束机柜底面四角的全部自由度作为边界条件。

2机柜模态分析

在模态分析中,结构的无阻尼动力学方程为:

由式(3)可知,模态分析问题转化为特征值提取问题,式中w为方程的特征值,开方得到结构的模态频率,与特征值相对应的特征向量即模态振型,此方法也称为“模态提取法”[2]。

采用Block Lanczos模态提取法对联锁机柜有限元模型进行求解,前6阶模态频率结果如表3所示,前6阶振型云图如图4所示。

3随机振动分析

振动波形杂乱无规律且无法预先确定某一时刻的瞬时值的振动被称为随机振动[3]。汽车在颠簸路面上行驶、建筑在风中或地震中产生的振动、飞机在飞行时产生的振动、船舶在海浪中的振动、火车行驶在铁轨上的振动等都是随机振动。一般随机振动用在一定时刻的平均值、均方值、概率密度函数、功率谱密度来表达。

2015年12月31日发布的国标GB/T 32347.3—2015《轨道交通设备环境条件第3部分:信号和通信设备》中描述了轨道交通设备在钢轨上、轨枕上、道床上、轨旁(距离最近的钢轨1~3 m)4个位置受到的3个方向振动功率谱密度。由于国标中没有规定室内设备应受到的振动功率谱密度,且室内设备受到的振动必定比轨旁设备小,所以选取国标中轨旁设备的振动标准对联锁机柜进行分析。国标中描述的轨旁功率谱密度如图5所示。

根据轨旁振动加速度功率谱密度,将功率谱密度数据提取出来输入到有限元模型中,并将3个方向的振动功率谱密度施加到机柜底部与地面接触位置,作为边界条件。输入的功率谱密度如图6所示。

设定好输入参数和边界条件后,对联锁机柜进行随机振动求解。联锁机柜经受随机振动后3个方向的形变和等效应力如图7所示。

由图7可以看出,机柜在经受X方向左右振动和Z方向前后振动时,整个机柜变形最大的位置为机柜顶部,说明在整个随机振动过程中,机柜顶部振动X方向和Z方向较为剧烈。机柜在经受Y方向垂直于地面上下振动时'机柜的振动变形主要集中在机柜内部各导轨横梁上,说明在整个随机振动过程中,导轨梁在Y方向振动较为剧烈。由此可以得出'机柜顶部和机柜内部各导轨梁为随机振动中的薄弱环节。在今后机柜振动方面的设计中,需要注意以下两点:一是要加强机柜顶部强度,提升机柜顶部X方向和Z方向的抗振性能,防止在随机振动过程中出现损坏;二是要增强机柜内部各导轨梁Y方向的强度,导轨梁作为支撑联锁设备组匣的紧固件,其振动情况直接影响着联锁设备的使用可靠性,必要时需增加导轨梁用来限制组匣的Y方向振动。

4机柜优化

原联锁机柜内部4根竖梁,分别为2根Z型竖梁和2根凹型竖梁,其中Z型竖梁高1 937.8 mm,凹型竖梁高1 937 mm,机柜上下横梁间距2 000.5 mm,Z型竖梁和凹型竖梁通过承重横梁固定在机柜框架上,均未与机柜上下横梁有直接接触。根据本文第3章中对联锁机柜的模态分析可知,机柜内部的Z型梁和凹型梁均为振动过程中的薄弱环节,建议与机柜上下横梁建立固定约束并增强其抗振性能。因此,对凹型梁进行优化设计,将凹型梁的高度增加至2 000.5 mm,在凹型梁两端增加两片折弯固定端板,并在固定端板上开孔,通过螺钉紧固在机柜上下横梁上,竖梁的尺寸和竖梁端部如图8和图9所示。由于凹型梁在结构上抗弯扭能力要优于Z型梁,所以将机柜内部竖梁布局由2根Z型竖梁、2根凹型竖梁替换为4根凹型竖梁,以提高机柜内部竖梁的抗振性能。

将优化后的竖梁适当简化装配到机柜有限元模型中,并对优化后的机柜有限元模型进行模态分析和随机振动分析,其仿真分析结果如图10所示。

由图10中振型图可以看出,前6阶模态的振动方式和振动方向与优化前机柜大体相同,不同的是,优化后机柜振动剧烈的部位不再是机柜内部4根竖梁,而是机柜后侧2根立柱,这是由于机柜内部竖梁强度加强且竖梁布局整体偏前部。

优化前后机柜振动最大位移和随机振动3个方向最大形变对比如表4所示。

由表4可以看出,优化后的机柜较优化前在抗振性能上有显著提升。其中,前6阶模态振动最大位移较优化前均有所减小,其中第3阶、第5阶和第6阶模态的振动最大位移降低较多,比优化前分别降低了34.02%、32.55%和29.79%。通过观察第3阶、第5阶和第6阶模态振型可以发现,机柜内部4根立柱正是振动的主要参与环节,说明此优化方案的方向是正确的。从表4中最大形变数据可以看出,在随机振动过程中,优化后的机柜较优化前3个方向的最大形变均有所减少,说明优化后的机柜抗振性能更好。表4中等效应力增加是因为应力集中所致,应力集中的位置主要为优化后的凹型竖梁新增端板折弯处,在后续设计中,应尽量解决该应力集中问题,以防折弯处开裂。

5结论

本文首先通过对联锁机柜架构的分析,将机柜三维模型做了适当简化,建立了联锁机柜有限元模型并进行了模态分析。通过分析各阶振型,得出了机柜顶部和机柜内部4根竖梁为振动过程中薄弱环节,建议在设计阶段注意不要将重要设备放置在顶层,顶层只放置重量较轻的组匣设备,最好空置,重量大的设备越往下放置越好,同时在机柜框架设计和横竖梁布局设计时注意最好将机柜内部4根竖梁与机柜外部上下横梁固定,以减弱4根竖梁的振动。

其次,将国标中提供的轨旁振动数据输入到有限元模型中对机柜有限元模型进行了随机振动分析,得出并分析了联锁机柜经过随机振动后的3个方向形变及等效强度。发现在随机振动过程中,机柜的顶部和机柜内部导轨梁为振动过程中的薄弱环节。机柜的顶部在X方向(左右)和Z方向(前后)振动较为剧烈,机柜内部的导轨梁在Y方向(上下)的振动较为剧烈。建议在今后机柜振动方面的设计中,要加强机柜顶部强度,提升机柜顶部X方向和Z方向的抗振性能,同时要增强机柜内部各导轨梁Y方向的强度,必要时需增加导轨梁用来限制组匣的Y方向振动。

最后,按照模态分析和随机振动仿真的分析结果,对机柜内部的竖梁布局和凹型梁结构进行优化,并对优化后的机柜有限元模型进行了模态分析和随机振动仿真。将优化前后机柜的振动参数进行对比,发现优化后的机柜在抗振性方面有所提升,进一步验证了优化方向的正确性,可为后续结构优化指明方向。