整体承载式车上水箱的分析与验证

姜鸿鹏 魏凌 梁君海

整体承载式车上水箱的分析与验证

姜鸿鹏 魏凌 梁君海

简述动车组整体承载式车上水箱供水装置的组成，通过建模及仿真分析，对既有水箱结构进行优化设计，并对优化后的水箱装置进行各项功能性试验，论证了整体承载式车上水箱供水装置满足使用要求。

动车组；水箱；供水；强度；试验；分析

时速200～250 km卧铺动车组设置了车上水箱，由于车体断面低，车顶可利用高度很小，要求容积大（800 L），加之高速动车轻量化要求，水箱采用了铝合金材质、低断面、整体承载结构和特殊的注溢水装置，设置了供水箱。为确保系统可靠性并整体优化结构，进行了模型分析计算。为验证设计方案及计算结果，进行了试制、试验。试制过程顺利，试验结果各项指标都达到了设计预期目标。

1 水箱结构

由于车内平顶板以上可利用高度空间有限，水箱要求容积大，采用的低断面、大面积结构，内部防波板兼作水箱骨架（加强梁），整体承载，省去水箱梁，充分利用高度空间；采用特殊的注溢水结构。水箱主要由底板、顶板、防波板、供水箱、液位传感器安装座、注溢水装置及管路等组成（见图1）。

水箱主要参数如下。

外形：2 000 mm×2 200 mm×220 mm（+30 mm注溢水装置）；

质量：215 kg；

容水：静态≤800 L，最大常规自动加速度（1．12 m/s2）时≥730 L。

主要难点及解决措施：

（1）针对水箱强度、刚度问题，采用内部防波板兼作水箱骨架（加强梁），整体承载，省去水箱梁，充分利用高度空间解决。

（2）针对低断面大面积及供水可靠性问题，采用局部低于水箱平面的供水箱（容积约20 L），水先汇入供水箱，由供水箱向外供水，提高供水可靠性。

（3）针对注溢水对容积的影响，采用特殊的注溢水装置，仅占用很小部分保温材空间，保证水箱空间利用率。

2 可靠性分析项点及方法

为验证水箱可靠性，采用的方法及流程如下：建模通过有限元分析，优化水箱结构及安装强度；验证铝合金水箱对容水水质的影响；进行保压试验及注溢水配套试验；进行冲击振动试验。

图1 整体承载式水箱组成

3 计算分析及优化

为验证水箱设计结构的可靠性及优化结构，进行了模型分析，通过模型分析、方案改进，最后得到了比较理想的结构，优化后应力分布见图2。

分析优化过程：对原设计模型分析→找出应力集中点（超出材料屈服应力处）→修改模型增加防波板→应力小于材料屈服应力→根据应力分布调整防波板开口→应力分布均匀，优化后最大应力大大降低。

通过计算得出了应力分布情况，根据应力分布对设计进行了优化，得到了合理结构；计算结果证明各项参数都能满足使用和试验要求。此外，针对共振问题进行了模态分析，不考虑车体及水箱梁刚度条件下，空水箱固有频率为96 Hz，满水箱固有频率为40．7 Hz。

图2 理想结构水箱应力分布

4 试制及试验验证

4.1 铝合金水箱对水质的影响

就铝合金水箱是否会对饮用水形成二次污染问题，查阅了相关标准并对专业人员进行了咨询，标准仅规定了铝离子含量的限值，无试验办法，无法按标准进行试验。为确保铝合金水箱满足卫生要求，采用模拟现车水箱运用状况，做浸泡、检测试验，检测金属铝离子增量是否符合饮用水标准，以此确定是否采用铝合金作为水箱材质。GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》中，化学指标增加了铝含量限值0．2 mg/L；GB/T 17219—1998《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》3．1条中规定“凡与饮用水接触的输配水设备和防护材料不得污染水质，管网末梢水水质必须符合GB 5749的要求”，但本标准未对金属铝含量及其检验方法作出明确规定。

为确保铝合金水箱满足卫生要求，模拟现车水箱运用状况，参照标准GB/T 17219—1998制备浸泡液；根据GB/T 5750．6—2006《生活饮用水标准检验方法 金属指标》做浸泡液中金属铝增量的测定。

试验如下：取容器A（铝合金材质，按现车水箱等比例缩放，容器接触浸泡液面积与容器内浸泡液体积比值等同现车水箱容水情况）和容器B（材质不污染水质），清洗干净，并连续冲洗30 min，然后立即注满自来水后密封，在（25±5）℃避光条件下浸泡240 h。到时间后立即将浸泡液分别取出放入预先洗净的样品瓶中取样，容器B内的水作空白对照。请有相关资质的部门根据GB/T 5750．6—2006中铝的检测方法测定两浸泡液中铝的含量，差值即为金属铝的增量。

试验结果：浸泡240 h后铝离子增量为0．198 mg/L，浸泡24 h约为0．02 mg/L，远小于GB/T 17219—1998规定浸泡时间24 h增量不超过0．2 mg/L的要求，满足使用要求。

4.2 保压试验

按TB/T 1720—1998《铁道客车给水装置通用技术条件》4．5．4项规定进行了98 kPa保压试验。

试验方法：箱体完成后，水压检测即注水压力98 kPa，在箱体外侧焊缝处涂彩色粉笔，保压5 min，观察焊缝有无渗水现象。水箱整体完成后，气压检测即在水箱完成后向水箱充气，箱体外侧涂肥皂水，观察焊缝有无渗水现象。

试验结果：水箱无明显变形，无泄漏，无渗漏，符合使用要求。

4.3 注溢水及供水系统配套试验

为了解注水对水箱的影响，验证新结构的注溢水装置可靠性，进行了该试验。

试验按现车实际管路设置了注溢水管路，用储水管加压缩空气模拟0．6 MPa水压进行注水，检测注水时水箱内压力情况。

试验结果：

注水未溢水时水箱底部压力≤5 kPa；

注水且溢水时水箱底部压力≤20 kPa；

压缩空气进水箱时水箱底部压力≤80 kPa。

供水配套及容积试验结果表明：供水压力稳定，流量计及液位传感器能正常控制水泵起停，系统供水可靠。

水箱容积检测：水箱注满水，用水泵供水，出口接水表，测得水箱容积为798 L。

4.4 冲击和振动试验

由于该水箱采用了无水箱梁及内部防波板兼作骨架整体承载的新结构，无成熟经验可借鉴，能否满足车辆运行中振动和冲击、能否满足相关规定要求的振动和冲击参数不能确定，需进行强度分析和模态分析。

4.4.1 冲击工况强度分析

对水箱模型安装座进行固定，满水状态加垂向（3g）、纵向（3g）、横向（1g）载荷，考察水箱各部分应力情况。结果各部分最大应力均在许用应力范围内，能满足JIS E 4032《铁路车辆部件—冲击试验方法》的规定值。

4.4.2 振动工况分析

（1）共振。针对振动试验的共振频率扫描试验，进行了模态分析，计算水箱固有频率。计算过程不考虑车体及安装梁刚度问题，设水箱安装座刚性固定。

计算结果：空水箱为96 Hz，满水箱为40．7 Hz。

固有频率高于JIS E 4031《铁路车辆部件—振动试验方法》规定的试验范围（0～30 Hz）。

（2）疲劳。正常运行时最大载荷：纵向0．25g、横向0．15g、垂向0．2g，在冲击工况（垂向3g、纵向3g、横向1g）载荷下，水箱各部评价区域最大应力均小于50 MPa，估算正常运行时最大应力不大于17 MPa，远小于材料许用值。

分析结果显示：在规定载荷冲击和振动工况下，水箱各部分评价区域应力均在材料许用应力范围内，该水箱能满足振动和冲击要求。

5 减重

按减重要求制定了方案，由于前期对原方案进行了计算分析，试制了水箱，并进行了各项试验，为保证改后性能，保持断面不变，仅长度缩小。

具体改动：水箱长度由原2 180 mm改为1 750 mm；注溢水装置移至水箱纵向中部，以增大有效容积；减少1个横向防波板，并调整其他方波板间距；安装座由10个改为8个。

改动后参数对比见表1。

6 结束语

综上所述，整体承载式车上水箱材质能满足输配水设备要求，耐冲击振动性能满足冲击振动标准，有较高的可靠性，能满足使用要求。

表1 减重方案实施参数对比

[1] 李舒宏．新型进水口结构对储能水箱释能性能的影响[J]．中南大学学报（自然科学版），2012，43(10)：4068-4074．

[2] 董伟力，胡震，陈秀芳，等．基于ANSYS的出口伊朗座车水箱吊装结构强度分析[J]．铁道机车车辆，2013，33(3)：52-55．

[3] 李明高，赵文平，高峰．基于ANSYS Workbench的动车组水箱吊装结构强度分析[J]．大连交通大学学报，2012，33(5)：38-40．

姜鸿鹏：南车青岛四方机车车辆股份有限公司，工程师， 山东 青岛，266111

魏 凌：南车青岛四方机车车辆股份有限公司，高级工程 师，山东 青岛，266111

梁君海：南车青岛四方机车车辆股份有限公司，教授级高 级工程师，山东 青岛，266111

责任编辑王五昌

U270.38+5

B

1672-061X（2014）04-0037-03