聯(lián)鎖機(jī)柜動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化

引言

鐵路信號(hào)設(shè)備在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和運(yùn)行等過程中會(huì)遭遇各式各樣的環(huán)境條件,通常要求產(chǎn)品在一些嚴(yán)酷的環(huán)境條件下能夠安全可靠地工作。為了驗(yàn)證產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性,確定產(chǎn)品耐環(huán)境設(shè)計(jì)是否符合要求,通常需要進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)[1]。常見的環(huán)境試驗(yàn)包括恒定濕熱試驗(yàn)、低氣壓試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、防潮防水試驗(yàn)等。其中,振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)中較為重要的項(xiàng)目,能否通過振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)直接影響著產(chǎn)品的使用可靠性。

聯(lián)鎖機(jī)柜是地鐵信號(hào)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)備,通常安裝在設(shè)備集中站的地面信號(hào)室中,屬于室內(nèi)設(shè)備。與車載設(shè)備和軌旁設(shè)備不同的是,室內(nèi)設(shè)備距離軌道較遠(yuǎn),一般對(duì)室內(nèi)設(shè)備的抗振動(dòng)沖擊能力不做要求。

隨著行業(yè)內(nèi)部對(duì)城軌信號(hào)產(chǎn)品的可靠性越來越重視,對(duì)聯(lián)鎖設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)要求也逐步提高。如表1所示,在2019年4月30日國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)發(fā)布的《城市軌道交通裝備產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施規(guī)則》中,對(duì)城市軌道交通基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)有了新的要求。其中,規(guī)定了ATP(ATO)車載設(shè)備、ATP地面設(shè)備、CI(聯(lián)鎖)設(shè)備和ATS設(shè)備都應(yīng)當(dāng)通過振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。

本文以聯(lián)鎖機(jī)柜為研究對(duì)象,首先分析聯(lián)鎖機(jī)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),對(duì)聯(lián)鎖機(jī)柜進(jìn)行三維建模,在不影響仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化并建立有限元模型,并進(jìn)行模態(tài)分析,得出聯(lián)鎖機(jī)柜的各階模態(tài)和振型。其次,參照GB/T 32347.3—2015《軌道交通設(shè)備環(huán)境條件第3部分:信號(hào)和通信設(shè)備》,將相應(yīng)振動(dòng)參數(shù)輸入到有限元模型中模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析,并針對(duì)分析出的機(jī)柜薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。最后,通過優(yōu)化前后仿真分析結(jié)果對(duì)比得出相應(yīng)結(jié)論。

1機(jī)柜建模

聯(lián)鎖機(jī)柜三維模型如圖1所示,由圖可以看出,機(jī)柜外部箱體由上下橫梁、4根立柱、左右側(cè)板和前后門組成。機(jī)柜內(nèi)部由8根承重橫梁、4根豎梁、若干導(dǎo)軌梁組成。其中,8根承重梁固定在機(jī)柜外部箱體的4根立柱上,其余豎梁和導(dǎo)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(dǎo)軌梁固定在4根豎梁上,導(dǎo)軌梁用于承載組匣。

當(dāng)機(jī)柜工作環(huán)境有振動(dòng)發(fā)生時(shí),振動(dòng)由兩個(gè)路徑傳至聯(lián)鎖設(shè)備組匣。第一條路徑:振動(dòng)由機(jī)柜底部橫梁傳入整個(gè)機(jī)柜,底部橫梁將振動(dòng)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(gè)導(dǎo)軌梁,最終由導(dǎo)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(jī)柜前面2根立柱上,所以振動(dòng)可由前面2根立柱直接傳至組匣。由此可知,振動(dòng)的主要傳播路徑為機(jī)柜各橫豎梁,本次分析主要關(guān)注振型,非振動(dòng)主要傳播路徑對(duì)振型影響不大,為了提高計(jì)算效率,在后面模型簡(jiǎn)化時(shí)可將兩側(cè)蓋板、上下蓋板等非振動(dòng)主要傳播路徑零件去除。同時(shí),聯(lián)鎖設(shè)備組匣一般重量為20~25 kg,不裝設(shè)備的空機(jī)柜重量為100 kg左右,遠(yuǎn)大于聯(lián)鎖設(shè)備組匣重量,由模態(tài)疊加理論可知,固有頻率與質(zhì)量成反比,質(zhì)量越小,一階固有頻率越大,若只關(guān)注聯(lián)鎖機(jī)柜的低頻振型,組匣的模態(tài)不會(huì)對(duì)聯(lián)鎖機(jī)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(shè)備組匣。最終簡(jiǎn)化后的分析模型如圖2所示。

材料方面,為了貼近真實(shí)情況,機(jī)柜外部立柱和橫梁部分選用的是不銹鋼,機(jī)柜內(nèi)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(jī)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(gè)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(jī)柜是直接固定在地面上,因此約束機(jī)柜底面四角的全部自由度作為邊界條件。

2機(jī)柜模態(tài)分析

在模態(tài)分析中,結(jié)構(gòu)的無阻尼動(dòng)力學(xué)方程為:

由式(3)可知,模態(tài)分析問題轉(zhuǎn)化為特征值提取問題,式中w為方程的特征值,開方得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率,與特征值相對(duì)應(yīng)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(duì)聯(lián)鎖機(jī)柜有限元模型進(jìn)行求解,前6階模態(tài)頻率結(jié)果如表3所示,前6階振型云圖如圖4所示。

3隨機(jī)振動(dòng)分析

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

2015年12月31日發(fā)布的國(guó)標(biāo)GB/T 32347.3—2015《軌道交通設(shè)備環(huán)境條件第3部分:信號(hào)和通信設(shè)備》中描述了軌道交通設(shè)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(gè)位置受到的3個(gè)方向振動(dòng)功率譜密度。由于國(guó)標(biāo)中沒有規(guī)定室內(nèi)設(shè)備應(yīng)受到的振動(dòng)功率譜密度,且室內(nèi)設(shè)備受到的振動(dòng)必定比軌旁設(shè)備小,所以選取國(guó)標(biāo)中軌旁設(shè)備的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聯(lián)鎖機(jī)柜進(jìn)行分析。國(guó)標(biāo)中描述的軌旁功率譜密度如圖5所示。

根據(jù)軌旁振動(dòng)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(gè)方向的振動(dòng)功率譜密度施加到機(jī)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(shè)定好輸入?yún)?shù)和邊界條件后,對(duì)聯(lián)鎖機(jī)柜進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)求解。聯(lián)鎖機(jī)柜經(jīng)受隨機(jī)振動(dòng)后3個(gè)方向的形變和等效應(yīng)力如圖7所示。

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

4機(jī)柜優(yōu)化

原聯(lián)鎖機(jī)柜內(nèi)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(jī)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(jī)柜框架上,均未與機(jī)柜上下橫梁有直接接觸。根據(jù)本文第3章中對(duì)聯(lián)鎖機(jī)柜的模態(tài)分析可知,機(jī)柜內(nèi)部的Z型梁和凹型梁均為振動(dòng)過程中的薄弱環(huán)節(jié),建議與機(jī)柜上下橫梁建立固定約束并增強(qiáng)其抗振性能。因此,對(duì)凹型梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),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(jī)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(jié)構(gòu)上抗彎扭能力要優(yōu)于Z型梁,所以將機(jī)柜內(nèi)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(jī)柜內(nèi)部豎梁的抗振性能。

將優(yōu)化后的豎梁適當(dāng)簡(jiǎn)化裝配到機(jī)柜有限元模型中,并對(duì)優(yōu)化后的機(jī)柜有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析,其仿真分析結(jié)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(dòng)方式和振動(dòng)方向與優(yōu)化前機(jī)柜大體相同,不同的是,優(yōu)化后機(jī)柜振動(dòng)劇烈的部位不再是機(jī)柜內(nèi)部4根豎梁,而是機(jī)柜后側(cè)2根立柱,這是由于機(jī)柜內(nèi)部豎梁強(qiáng)度加強(qiáng)且豎梁布局整體偏前部。

優(yōu)化前后機(jī)柜振動(dòng)最大位移和隨機(jī)振動(dòng)3個(gè)方向最大形變對(duì)比如表4所示。

由表4可以看出,優(yōu)化后的機(jī)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(dòng)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(dòng)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(jī)柜內(nèi)部4根立柱正是振動(dòng)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(jī)振動(dòng)過程中,優(yōu)化后的機(jī)柜較優(yōu)化前3個(gè)方向的最大形變均有所減少,說明優(yōu)化后的機(jī)柜抗振性能更好。表4中等效應(yīng)力增加是因?yàn)閼?yīng)力集中所致,應(yīng)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(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量解決該應(yīng)力集中問題,以防折彎處開裂。

5結(jié)論

本文首先通過對(duì)聯(lián)鎖機(jī)柜架構(gòu)的分析,將機(jī)柜三維模型做了適當(dāng)簡(jiǎn)化,建立了聯(lián)鎖機(jī)柜有限元模型并進(jìn)行了模態(tài)分析。通過分析各階振型,得出了機(jī)柜頂部和機(jī)柜內(nèi)部4根豎梁為振動(dòng)過程中薄弱環(huán)節(jié),建議在設(shè)計(jì)階段注意不要將重要設(shè)備放置在頂層,頂層只放置重量較輕的組匣設(shè)備,最好空置,重量大的設(shè)備越往下放置越好,同時(shí)在機(jī)柜框架設(shè)計(jì)和橫豎梁布局設(shè)計(jì)時(shí)注意最好將機(jī)柜內(nèi)部4根豎梁與機(jī)柜外部上下橫梁固定,以減弱4根豎梁的振動(dòng)。

其次,將國(guó)標(biāo)中提供的軌旁振動(dòng)數(shù)據(jù)輸入到有限元模型中對(duì)機(jī)柜有限元模型進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)分析,得出并分析了聯(lián)鎖機(jī)柜經(jīng)過隨機(jī)振動(dòng)后的3個(gè)方向形變及等效強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)在隨機(jī)振動(dòng)過程中,機(jī)柜的頂部和機(jī)柜內(nèi)部導(dǎo)軌梁為振動(dòng)過程中的薄弱環(huán)節(jié)。機(jī)柜的頂部在X方向(左右)和Z方向(前后)振動(dòng)較為劇烈,機(jī)柜內(nèi)部的導(dǎo)軌梁在Y方向(上下)的振動(dòng)較為劇烈。建議在今后機(jī)柜振動(dòng)方面的設(shè)計(jì)中,要加強(qiáng)機(jī)柜頂部強(qiáng)度,提升機(jī)柜頂部X方向和Z方向的抗振性能,同時(shí)要增強(qiáng)機(jī)柜內(nèi)部各導(dǎo)軌梁Y方向的強(qiáng)度,必要時(shí)需增加導(dǎo)軌梁用來限制組匣的Y方向振動(dòng)。

最后,按照模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)仿真的分析結(jié)果,對(duì)機(jī)柜內(nèi)部的豎梁布局和凹型梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)優(yōu)化后的機(jī)柜有限元模型進(jìn)行了模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)仿真。將優(yōu)化前后機(jī)柜的振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的機(jī)柜在抗振性方面有所提升,進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化方向的正確性,可為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化指明方向。