简述地铁车辆用碱性立式蓄电池箱结构设计

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1 背景介绍

蓄电池箱是地铁车辆紧急通风、照明时的电源，地铁车辆蓄电池箱所承载的蓄电池种类较多，按照蓄电池的安装方式，可分为卧式和立式。本文根据蓄电池的安装方式，设计出一种碱性立式蓄电池箱的结构，对于蓄电池箱的结构稳定性和安全性具有极为重要的作用[1]。

2 结构设计

蓄电池箱整体外形结构如图1所示，采用框架式结构，主体由三部分组成，分别为蓄电池箱（左）、蓄电池箱（右）、主横梁框架。左、右箱体采用对称结构，保证了结构的稳定性。主横梁框架用于与车辆安装接口对接，并作为承载蓄电池箱的载体。单个箱体由上、下箱采用导轨连接的方式，形成抽屉式结构，下箱为蓄电池组的载体，在抽出上箱后实现蓄电池组的安装、维护、更换等操作[2]。

图1 蓄电池箱整体结构

根据三维图和设计资料，利用hypermesh11.0建立电池箱结构的有限元模型，电池箱静强度分析所用的软件是美国著名的ANSYS公司的ANSYS。

建立电池箱有限元模型时，凡是对箱体刚度及强度有贡献的结构，都应当予以考虑，以尽最大可能地反映出箱体实际情况。基于Hypermesh软件，抽取箱体几何中面，建立了本次计算的有限元模型，有限元模型构成以任意四节点等参薄壳单元为主，与梁单元、板单元相比，壳单元综合考虑了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应，因此，具有更高的计算精度。电池箱的有限元模型如图2.1所示。在模型中采用质量单元模拟电池重量（总重585kg）；梁单元模拟部件之间的螺栓连接。有限元模型的节点总和为单元总数近400000个。

根据IEC 61373 2010 铁道车辆设备冲击和振动试验标准要求，对电池箱结构三个方向的冲击进行了计算，纵向5g、横向3g、垂向cg（c在车体端部为最大值3，向车体中心线性变化到最小值 1.5，本文取3）。g为重力加速度，取为9.81m/s2。此时所产生的三个方向的合成应力不得大于材料的屈服极限[3]。

蓄电池箱整体应力分布如图2所示，主横梁框架应力分布图见图3：

图2 整体应力分布

图3 主横梁应力分布

计算结果表明：蓄电池箱整体最大应力集中在主横梁框架最端部的支架上，为365MPa，低于该处材料QSTE500TM的最大许用应力500MPa。主横梁的最大应力集中处为主横梁的中间横梁与纵梁连接处，为166MPa，低于该处材料QSTE500TM的最大许用应力500MPa。上箱体最大应力集中处为端部与主横梁安装的支架处，为174MPa，低于该处材料X5CrNi18-10的最大许用应力205MPa。下箱体最大应力集中处为侧面与导轨安装面处，为175MPa，低于该处材料X5CrNi18-10的最大许用应力205MPa。导轨最大应力集中处为外侧与上箱体安装面处，为149MPa，低于该处材料45#钢的最大许用应力360MPa。由上述计算结果可得，该电池箱的结构是安全可靠的[4]。

3 结束语

本文通过对地铁车辆用碱性立式蓄电池箱结构主体进行静强度分析，由计算结果得出该结构蓄电池箱具有非常好的安全性。同时，采用抽屉式结构设计蓄电池箱，使得蓄电池的安装维护变得更为便捷。蓄电池箱整体也更为紧凑，相较于以往结构，可以减小箱体的设计尺寸，这样节约了列车底架安装的空间。