FXD3-J型动车组动力车储油柜的设计

冯林

摘要：本文介绍了FXD3-J型动车组动力车储油柜的作用、结构、重要附件和利用ANSYS软件进行静强度和疲劳强度的计算过程。

关键词：储油柜;吸湿器;液位计;MIG;静强度;疲劳强度

1  储油柜的作用

当动力车主变压器油的体积随油温高低而膨胀或缩小时，储油柜起着调节油量、保证主变压器油箱内总是充满油的作用。

2  储油柜的设计

2.1 结构的设计

为达到机车轻量化要求，为轨道车辆节能环保做出贡献，本车型储油柜柜体和底架的材质设计成铝合金取代传统的不锈钢，重量减轻了三分之二。

焊接方法采用熔化极惰性气体保护焊（MIG），该方法效率高，成本低，并且电流密度高，电弧在纯氩气的气流保护下能量集中，焊接熔池和热影响区小，形成裂纹的倾向也随之变小，并能明显的减小焊接变形，所以特别适合铝合金储油柜的批量焊接生产。（表2）

2.2 重要附件

2.2.1 变色硅胶颗粒吸湿器

在柜体上部位置设置一个变色硅胶颗粒吸湿器，当变压器中油温降低时，储油柜内的油被吸入变压器中使柜体内油位降低，需要通过吸湿器吸入外部空气平衡内部压力。吸湿器内填充的无钴变色硅胶颗粒能够吸收和过滤空气中部分的水份和灰尘，同时又能通过变潮后颗粒自身颜色变化直观指示出吸附量，提示机修维护人员更换硅胶颗粒。

2.2.2 自闭式液位指示器

在储油柜前部位置设置一个自闭式浮球液位指示器，利用连通器原理，通过玻璃管中的浮球，便可以时刻监视储油柜内油量变化。传统液位计玻璃管遭到损坏后导致变压器油泄漏，变压器无法正常工作造成机破，并造成严重环境污染。自闭式液位计两端设有自闭截止阀，玻璃管遭到外力损坏后，阀门立即自动关闭，防止储油柜中油溢出。

3  强度计算

利用ANSYS软件对模型进行静强度和疲劳强度的计算分析。

3.1 静强度的计算

静强度工况载荷为超常载荷，超常载荷参考GB/T 21563—2008《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》标准取6个方向峰值加速度。结合储油柜实际工作状态，给出以下超常载荷计算工况，用以考察储油柜静强度。其中X轴为机车纵向，Y轴为机车垂向，Z轴为机车横向。

本计算在静强度工况评价中，采用第四强度理论导出的等效应力σe（又称Von Mises应力）来评价，此等效应力不得超过相应计算工況的许用应力。

静强度评定采用超常载荷工况，故安全系数取值1，储油柜体在静强度各工况下的许用应力为125MPa。

各工况的最大等效应力见表5。

3.2 随机振动疲劳计算

由于疲劳试验数据的离散性，试件的疲劳寿命与应力水平间的关系并不是一一对应的单值关系，而是与成活率P有密切联系。存活率P是指对于该条S-N曲线有P的把握认为该材料（零件）是不会破坏的。P-S-N曲线代表了更全面的应力-寿命关系，图2是根据《高速动车组铝合金车体用材基本疲劳性能研究》中的铝合金P-S-N曲线。随机三向振动疲劳应力值见表6。

根据图2存活率P=99%的曲线上查找某一应力值可以得到对应的循环次数。

横向随机振动：1σ应力对应的N1σ=∞，2σ应力对应的N2σ=∞，3σ应力对应的N3σ=∞。

垂向随机振动：1σ应力对应的N1σ=∞，2σ应力对应的N2σ=∞，3σ应力对应的N3σ=∞。

纵向随机振动：1σ应力对应的N1σ=∞，2σ应力对应的N2σ=1e7，3σ应力对应的N3σ=3e5。

横向随机振动：

Dz=8.9132e5/∞+3.5366e5/∞+0.56507e5/∞=0;

垂向随机振动：

Dy=8.9132e5/∞+3.5366e5/∞+0.56507e5/∞=0;

纵向随机振动：

Dx=8.9132e5/∞+3.5366e5/1e7+0.56507e5/3e5=0.2237。

因此D=Dx+Dy+Dz=0.2237<1。

3个方向的总体损伤小于1，说明储油柜结构满足疲劳强度要求。

3.3 小结

根据GB/T 21563标准的要求对储油柜进行静强度计算分析和随机振动疲劳寿命分析，在静强度工况下最大应力均小于材料的许用应力，表明静强度满足标准的要求;随机振动3个方向的总体疲劳损伤小于1，表明储油柜结构疲劳强度满足标准的要求。

4  结论

储油柜在变压器正常运行中起到显示油位、调节油量的作用，它直接关系到变压器能否安全、稳定、长期运行，FXD3-J型动车组动力车储油柜结构设计符合用户功能性要求，并通过ANSYS分析计算证明，结构强度及疲劳强度均符合国家标准。

参考文献：

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[2]王亚鹏.高速动车组铝合金车体用材基本疲劳性能研究[D].北京交通大学，2013.

[3]鲁国庆.某六缸柴油机连杆疲劳强度分析[J].内燃机与配件，2020（03）：51-52.