高鐵列車供電箱箱體結(jié)構(gòu)分析及仿真設(shè)計(jì)摘要2017年6月，復(fù)興號開通運(yùn)營，這表明中國已經(jīng)能夠生產(chǎn)出具有絕對自由產(chǎn)權(quán)的動(dòng)車組，達(dá)到世界一流水平的動(dòng)車組。由于供電箱結(jié)構(gòu)特殊，主要大型電器設(shè)備（如變壓器，電抗器等）均采用螺栓連接安裝在車廂底部。供電箱主要負(fù)責(zé)保護(hù)車下設(shè)備，降低氣動(dòng)阻力。其安全性和可靠性直接影響到動(dòng)車組的運(yùn)行。一方面要保證各部件的可靠安裝。另一方面要考慮內(nèi)部構(gòu)件的穩(wěn)定性，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，對供電箱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)鐵路行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對受力分析的螺栓和參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明，箱體的強(qiáng)度符合規(guī)范要求。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；螺栓連接；設(shè)計(jì)要求；受力分析；強(qiáng)度設(shè)計(jì)；摘要 21緒論 51.1選題背景及研究意義 51.1.1選題背景 51.1.2研究意義 51.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61.2.1國外現(xiàn)狀： 61.2.2國內(nèi)現(xiàn)狀： 61.3本文設(shè)計(jì)內(nèi)容 72箱體結(jié)構(gòu)及各組件安裝設(shè)計(jì) 82.1箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 82.2各組件安裝設(shè)計(jì) 92.2.1線路電抗器 92.2.2平波電抗器 102.2.3列供變壓器 102.2.4接觸器 102.2.5電容器 112.2.6風(fēng)機(jī) 113螺栓尺寸設(shè)計(jì)及重要參數(shù)計(jì)算 123.1線路電抗器螺栓組受力分析 123.1.1螺栓受到垂向力P作用下載荷計(jì)算 133.1.2螺栓受到橫向沖擊力F1作用下的載荷計(jì)算 143.1.3縱向沖擊下的螺栓載荷計(jì)算 153.1.4復(fù)合沖擊狀態(tài)的受力 163.1.5螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇 163.1.6螺栓重要參數(shù)的計(jì)算 183.2平波電抗器螺栓組受力分析 203.2.1螺栓受沖擊狀態(tài)下的受力分析 203.2.2螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇 203.2.3螺栓重要參數(shù)的計(jì)算 213.3列供變壓器螺栓組受力分析 213.3.1螺栓受沖擊狀態(tài)下的受力分析 213.3.2螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇 223.3.3螺栓重要參數(shù)的計(jì)算 223.4接觸器螺栓組受力分析 233.4.1螺栓受沖擊狀態(tài)下的受力分析 233.4.2螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇 233.4.3螺栓重要參數(shù)的計(jì)算 243.5電容器螺栓組受力分析 243.5.1螺栓受沖擊狀態(tài)下的受力分析 243.5.2螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇 253.5.3螺栓重要參數(shù)的計(jì)算 253.6風(fēng)機(jī)螺栓組受力分析 263.6.1螺栓受沖擊狀態(tài)下的受力分析 263.6.2螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇 273.6.3螺栓重要參數(shù)的計(jì)算 274關(guān)鍵梁仿真及分析 284.1線路電抗器底梁的設(shè)計(jì) 284.1.1基于SolidWorks三維軟件的承重梁屈服強(qiáng)度和安全系數(shù)計(jì)算 284.1.2結(jié)果分析 304.2線路電抗器頂梁設(shè)計(jì) 304.3列供變壓器底梁設(shè)計(jì) 315結(jié)語 33參考文獻(xiàn) 34

1緒論1.1選題背景及研究意義1.1.1選題背景在全球運(yùn)輸體系的歷史上，鐵道運(yùn)輸一直發(fā)揮著重要的作用。人們對日常出行的要求也在不斷提升，特別是對于鐵路系統(tǒng)而言，其運(yùn)行速度，運(yùn)行安全性和舒適性已逐漸成為世界鐵路系統(tǒng)發(fā)展的主要方向和目標(biāo)。到2030年，中國將實(shí)現(xiàn)“八縱八橫”高鐵主通道，并繼續(xù)實(shí)現(xiàn)國鐵路的飛速發(fā)展。在引進(jìn)，消化，吸收，重塑的前提上，中國高速動(dòng)車組技術(shù)創(chuàng)造了從制造到創(chuàng)造的飛躍，代表著中國動(dòng)車組研制技術(shù)已處于世界先進(jìn)水平。由于電源箱的特殊結(jié)構(gòu)，主要大型電氣設(shè)備（如變壓器，電抗器等）作為列車的重要組成部分，采用螺栓連接的方式懸掛安裝在列車底部。動(dòng)車組供電箱技術(shù)的先進(jìn)程度直接或間接地決定了國家高速鐵路技術(shù)水平，也反映了高速動(dòng)車組的現(xiàn)代化程度和社會(huì)發(fā)展水平。因此，研究供電箱對運(yùn)行安全有重要意義，不僅可以提高我國的技術(shù)水平，而且可以使我國進(jìn)一步成為制造大國。1.1.2研究意義隨著列車運(yùn)行速度的加快，列車可靠性和安全性受到越來越多的關(guān)注。同時(shí)，高速列車電源箱的設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜。列車在車站加速、轉(zhuǎn)彎、減速時(shí)，由于自身慣性，在水平方向和垂直方向都有一定的加速度。內(nèi)部組件通過螺栓連接到供電箱的橫梁上。為保證安裝的可靠性，螺栓組的布置、尺寸、材料的選擇以及關(guān)鍵梁的設(shè)計(jì)十分重要。電源箱是車身的重要組成部分。其主要功能是保護(hù)車下設(shè)備，降低列車運(yùn)行后的空氣阻力，并改善其空氣動(dòng)力性能。在高速列車運(yùn)行過程中，電源箱承受著很強(qiáng)的氣密性負(fù)載、振動(dòng)負(fù)載和石塊飛濺。在這些載荷作用下，電源箱及其內(nèi)部構(gòu)件經(jīng)常發(fā)生疲勞損傷，電源箱的表面容易劃傷或腐蝕，因此有必要研制一種性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)剛度高的供電箱。既能充分發(fā)揮高速鐵路運(yùn)量大、發(fā)車密度高的優(yōu)勢，從而促進(jìn)金融體系的發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外現(xiàn)狀：在世界鐵道大家庭中，德國的鐵路事業(yè)起步較早。早在1835年，德國鐵路就被設(shè)計(jì)并投入運(yùn)營，已有近190年的歷史。后來，由于歐洲國家鐵路技術(shù)分析方向的變化，導(dǎo)致德國高速火車的發(fā)展相對較晚。1991年至1997年，具有集中動(dòng)力的德國ICE-1和ICE-2高速火車投入運(yùn)行，最高速度達(dá)280公里/小時(shí)。2000年5月，德國高速動(dòng)車組ICE-3系列正式投產(chǎn)。與德國的ICE-1和ICE-2系列不同，ICE-3系列是一種動(dòng)力分布式動(dòng)車組，其最高設(shè)計(jì)時(shí)速可達(dá)330公里。與ICE-1和ICE-2系列動(dòng)車組類似，ICE-3系列輔助系統(tǒng)也采用直流輔助供電技術(shù)，是一種分散變流器后向輔助用電負(fù)荷供電的供電技術(shù)。1991年，德國建筑了第一條高鐵?，F(xiàn)在，新建高鐵已投資營運(yùn)5條（部分線路見表1-1），運(yùn)行總里程949公里，最高運(yùn)營速度320公里，小時(shí)。德國還重建了一些鐵路，全長1560公里。表1-1德國運(yùn)營中的高速鐵路起訖地點(diǎn)長度/km最高速度/(km/h)開始運(yùn)營時(shí)間開行列車漢諾威—維爾茨堡3272801991ICE1，ICE2曼海姆—斯圖加特992801991ICE1柏林—漢諾威2642801998ICE1，ICE2科隆—法蘭克福1803002002ICE31.2.2國內(nèi)現(xiàn)狀：研發(fā)前期，2004年前：我國最早的電力動(dòng)車組是由長客廠，株洲市研究所，鐵科院等單位聯(lián)合研制的新型KDZ1交流火車組。1989年進(jìn)行調(diào)試，最高速度達(dá)142.5公里。1999年，由株洲市電力機(jī)車廠大學(xué)和株洲市電力機(jī)車研究所公司聯(lián)合開發(fā)，DDJ1型電力火車組最高時(shí)速達(dá)到200公里，在廣深投入使用。然后，我們開發(fā)了DJJ1和DJF2高速電力動(dòng)車組，定速超過200公里。2001年4月，研發(fā)了“中國之星”高速列車，具有完全自主產(chǎn)權(quán)，時(shí)速270公里。2002年11月，在秦沈客運(yùn)專線進(jìn)行的短跑測試將最高時(shí)速定為321.5公里。2004年至2008年，技術(shù)引進(jìn)階段：2004年，確定了“先引進(jìn)技術(shù)，再引進(jìn)聯(lián)合生產(chǎn)，再打造中國品牌”的基本線路。2007年，通過把CRH1A和CRH2A進(jìn)行整合改進(jìn)，研發(fā)出我國首輛時(shí)速200公里的國產(chǎn)動(dòng)車組。2008年，CRH3C型動(dòng)車組下線試驗(yàn)，最高速度394.3公里，成為最高試驗(yàn)速度紀(jì)錄?，F(xiàn)階段，中國高鐵的技術(shù)已經(jīng)在引入、消化和吸收的觀念上得到了重塑。短短幾年，基本形成時(shí)速200-250公里動(dòng)車組的技術(shù)規(guī)范體系，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。自主創(chuàng)新階段，2009年至今：2010年，青島市四方機(jī)車車輛廠自主研發(fā)電力分布式CRH380A型高速火車組，在運(yùn)營試驗(yàn)中創(chuàng)造了486.1km/h的世界最高速度紀(jì)錄。中國動(dòng)車組自主創(chuàng)新的重要成果還包括CRH380AM，CRH6動(dòng)車組。CRH6動(dòng)車組的研發(fā)表明我國動(dòng)車組已進(jìn)入完全自主發(fā)展階段。隨后，復(fù)興號CR400系列的下線和試驗(yàn)，為中國高速鐵路技術(shù)的完全自主化和標(biāo)準(zhǔn)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，標(biāo)志著中國高速列車進(jìn)入研發(fā)的時(shí)代。1.3本文設(shè)計(jì)內(nèi)容高速鐵路列車電源箱是一種長六面體箱型結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同尺寸設(shè)備的布置要求，常將其分為幾個(gè)小六面體箱型結(jié)構(gòu)。本課題研究設(shè)計(jì)了高速鐵路封閉式列車供電箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括變壓器組件、電容器組件、電抗器組件和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)供電箱的整體設(shè)計(jì)要求，合理布置元器件和設(shè)備，進(jìn)行箱內(nèi)元器件的緊固設(shè)計(jì)，緊固件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，緊固件的工藝參數(shù)計(jì)算。根據(jù)動(dòng)車組運(yùn)行要求，合理布置和安裝零部件和設(shè)備?？傮w布局方案可以多種多樣，每種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。為了滿足鐵路運(yùn)輸?shù)囊?，我們?yīng)該權(quán)衡利弊，得出合理的方案！2箱體結(jié)構(gòu)及各組件安裝設(shè)計(jì)2.1箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)供電箱的主要功能是保護(hù)車下設(shè)備，提升列車的空氣動(dòng)力性能。它的外形不僅受各系統(tǒng)設(shè)備尺寸的限制，而且考慮到整個(gè)列車斷面輪廓和流線的均勻性。另外，必須全面考慮車身輕量化和惡劣工作環(huán)境的需求。因此，設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)解決以下技術(shù)問題：（1）供電箱的氣動(dòng)外形、安裝要求、重量根據(jù)車下設(shè)備布置和車體橫截面確定；（2）確保列車安全運(yùn)行，滿足供電箱的剛度、強(qiáng)度和防火要求；（3）設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮供電箱的密封性，防止雨水、積雪、灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入。（4）供電箱必須作為獨(dú)立系統(tǒng)存在。即與其他部件沒有依賴關(guān)系，便于供電箱本身的安裝和拆卸，也便于車下設(shè)備的維修和保養(yǎng)；動(dòng)車組供電箱按產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸入，箱長、寬、高設(shè)計(jì)值為2910mm＊1314＊723mm，主梁采用4mm不銹鋼折彎（德國1.4301相當(dāng)于304不銹鋼）。主面板由1．5mm不銹鋼制成（德國1.4301相當(dāng)于304不銹鋼）。起吊部分采用20mm和16mm的Q345板，安裝8個(gè)吊點(diǎn)，產(chǎn)品重量要求小于2680kg。根據(jù)設(shè)計(jì)輸入和產(chǎn)品功能要求，電源箱分為電抗器、電容器、風(fēng)機(jī)、變壓器、風(fēng)機(jī)、線夾、接觸器等，如圖所示，所有元器件均裝在箱體側(cè)面方便檢查。在供電箱內(nèi)部，通過安裝隔板隔開各組件，以減少電磁干擾。如圖2－1箱體框架，2-2箱體各主要元器件布局所示。圖2-1箱體框架圖2-2箱體各主要元器件布局2.2各組件安裝設(shè)計(jì)2.2.1線路電抗器線路電抗器支架（t=10mm）下側(cè)置于底梁上(t=4mm)，支架上側(cè)固定于上梁(t=4mm)，設(shè)計(jì)采用8*M12。設(shè)計(jì)重量344kg。如圖2-3所示電抗器底梁示意圖（a）和頂梁示意圖（b）。（a）電抗器底梁示意圖（b）電抗器頂梁示意圖圖2-32.2.2平波電抗器平波電抗器支架（t=10mm）下側(cè)放置于底梁上(t=4mm)，支架上側(cè)固定于上梁(t=4mm)，設(shè)計(jì)采用8*M12。設(shè)計(jì)重量246kg。緊固連接方式與線路電抗器相同。2.2.3列供變壓器變壓器底座總成，采用Q345E鋼板（10＋6）＝16mm，底梁采用4mm不銹鋼板，設(shè)計(jì)螺栓采用4*M16。設(shè)計(jì)重量1363kg。如圖2-4所示底梁示意圖。圖2-4變壓器底梁示意圖2.2.4接觸器接觸器設(shè)計(jì)重量8.5kg，采用立式安裝方法，設(shè)計(jì)螺栓采用3*M8。接觸器底部支架5mm，接觸器底座2mm厚不銹鋼。如圖2-5所示接觸器底座示意圖。圖2-5接觸器底座示意圖2.2.5電容器電容器設(shè)計(jì)重量為35．7kg，固定在電容箱（電容箱采用2mm不銹鋼彎曲），電容箱設(shè)計(jì)重量為10．64kg。電容箱的頂部和側(cè)面固定在供電箱中（橫梁均采用4mm不銹鋼彎曲），電容器固定在電容箱，采用4＊M12設(shè)計(jì)螺栓。2.2.6風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)重量為14．5kg。固定在風(fēng)機(jī)箱（風(fēng)機(jī)箱使用2mm不銹鋼板彎曲）。風(fēng)機(jī)箱被固定在供電箱里。風(fēng)機(jī)箱固定風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)螺栓為4＊M6。用于固定列車供電箱內(nèi)風(fēng)機(jī)箱的設(shè)計(jì)螺栓為2＊M10。3螺栓尺寸設(shè)計(jì)及重要參數(shù)計(jì)算3.1線路電抗器螺栓組受力分析線路電抗器裝在底梁和上梁上，通過8個(gè)M12螺栓與箱體連。研究了線路電抗器在垂直、縱向和橫向外力作用下，各連接螺栓的整體應(yīng)力變化，并對螺栓進(jìn)行了強(qiáng)度校核。動(dòng)車組在拐彎、制動(dòng)、加速或蛇行運(yùn)行時(shí)，緊急制動(dòng)時(shí)，對螺栓的沖擊力最大，螺栓最容易變形。根據(jù)IEC61373：2010標(biāo)準(zhǔn)，箱體及其內(nèi)部部件受到垂直方向3g加速度，縱向（車輛行駛方向）5g加速度和橫向（車橫向）3g加速度的影響。相關(guān)參數(shù)：線路電抗器總重344kg，如圖3-1所示，H為580mm，a和b為200mm，c和d為520mm。圖3-1螺栓組受力圖和布局方式列車運(yùn)行時(shí)，全部的緊固螺栓都會(huì)受沖擊，螺栓組上各方向的外力如下：垂直方向：P=m橫軸方向：F縱軸方向：F以O(shè)點(diǎn)為支點(diǎn)，在F1，F(xiàn)2作用下的翻轉(zhuǎn)力矩分別為：M3.1.1螺栓受到垂向力P作用下載荷計(jì)算根據(jù)圖3-1，簡化了線路電抗器安裝座在垂直沖擊下的受力情況，如圖3-2所示。圖3-2安裝座受力圖圖3-2中，電抗器上的垂直力P受到垂直加速度3g的影響，并考慮重力本身則：P=m4g=13484.8N安裝視為用螺栓固定在剛性梁上，受到一個(gè)偏行力P，如圖3-2所示，A,B點(diǎn)出受NA、NB大小力的平衡NA+N根據(jù)圖3-2可知，點(diǎn)1和點(diǎn)2為NA的合力，點(diǎn)3和點(diǎn)4為N力矩的平衡 ΣM=0NA×由式（1），（2）求的N分別對四點(diǎn)分別運(yùn)用共面力系剛體平衡條件進(jìn)行受力分析，受力分析如圖3-3：圖3-3安裝座受力圖根據(jù)力平衡，則N1+N2=力矩的平衡ΣM=0N1×c?N根據(jù)（3）（4）計(jì)算的：N同理的：N33.1.2螺栓受到橫向沖擊力F1作用下的載荷計(jì)算當(dāng)電抗器受3g加速度的外力沖擊時(shí)，不僅重心位置產(chǎn)生的水平力外，而且有一個(gè)以E為支點(diǎn)安裝座產(chǎn)生的傾覆力矩M1，如圖3-5所示，其中：NC為點(diǎn)1、3處的合力，ND為點(diǎn)2、4處的合力。圖3-4橫向沖擊時(shí)的受力圖如圖3-4所示，安裝座在外力矩的作用下有繞通過重心的軸線翻轉(zhuǎn)的趨勢。根據(jù)共面力系剛體平衡條件：力的平衡NC+N力矩的平衡ΣM=0 NC×c=ND由（5）、（6）式可求的NC=7325.9N根據(jù)共面力系剛體平衡條件分別求1,2,3,4點(diǎn)受力，如圖3-5所示：圖3-51、3（2、4）點(diǎn)受力根據(jù)力的平衡，的 NC力矩的平衡，ΣM=0，N1×a?N由（7）、（8）式可求的：1點(diǎn)受力N1=3662.95N，3點(diǎn)受力同理可求點(diǎn)3、4受力：2點(diǎn)受力N2=?1977.35N，4點(diǎn)受力3.1.3縱向沖擊下的螺栓載荷計(jì)算當(dāng)螺栓組收到5g加速度的水平?jīng)_擊時(shí)，除重心產(chǎn)生的水平力外，還有以E點(diǎn)為支點(diǎn)的安裝座產(chǎn)生的傾覆力矩M2，如圖3-6所示：圖3-6縱向沖擊時(shí)受力簡圖其中，NA為點(diǎn)1、2的合力，NB為點(diǎn)3、4的合力。根據(jù)以上計(jì)算螺栓載荷過程，可分別求的四點(diǎn)受力情況：N1=11377.8N，N2=11377.8N，N3=13063.4N，N4=13063.4N3.1.4復(fù)合沖擊狀態(tài)的受力依據(jù)上述螺栓在垂直、縱向和橫向沖擊下的荷載計(jì)算結(jié)果，各螺栓在復(fù)合沖擊下的受力情況見表3-1表3-1各螺栓受力狀況螺栓點(diǎn)1234垂向沖擊3371.2N3371.2N3371.2N3371.2N橫向沖擊3662.95N-1977.35N3662.95N-1977.35N橫向沖擊（反）-3662.95N1977.35N-3662.95N1977.35N縱向沖擊-11377.8N-11377.8N13063.4N13063.4N縱向沖擊（反）11377.8N11377.8N-13063.4N-13063.4N最大合力18411.95N16726.35N20097.55N18411.95N當(dāng)螺栓受到橫向或縱向沖擊并產(chǎn)生加時(shí)速時(shí)，無論沖擊方向?yàn)檎蜇?fù)，單個(gè)螺栓所受力相等，但方向反。因此，選受力最大的螺栓Fmax=20097.553.1.5螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇3.1.5.1求出壓緊力F0≥KfFKf:可靠性因數(shù)，一般KfFmax:最大應(yīng)力0.1-0f:結(jié)合面摩擦因數(shù)，一般f=0.1-0.15z：總螺栓數(shù)目m：結(jié)合面3.1.5.2選擇螺栓材料，確定許用應(yīng)力選擇螺栓材料性能等級為12.9級，由表3-2查得材料的σS=1080，若不控制預(yù)緊力，預(yù)設(shè)螺栓直徑在6-16mm，由表3-3查得安全因數(shù)S=6.5[σ]=σsS=166.15 （1σsS：安全因數(shù)3.1.5.3確定螺栓直徑由公式1.3Fd1≥4×1.3F0F0[σ]:螺栓許用應(yīng)力查表3-4，當(dāng)d=12時(shí)，d1=10.106mm,略大于9.2mm，與原預(yù)設(shè)相符，故可采用M12表3-2螺栓的力學(xué)性能等級力學(xué)性能級別4.64.85.65.86.88.88.89.810.912.9屈服極限σS/MPa公稱值2403203004004806407209001080表3-3螺紋連接的安全因數(shù)S材料靜載荷變載荷M6—M16M16—M30M6—M16M16—M30碳素鋼4—33—210—6.56.5合金鋼5—44—2.57.6—55表3-4普通螺紋螺距及基本尺寸（摘自GB/T196—2003）單位：mm公稱直徑D，d中徑D2，d2小徑D2，d265.3504.91787.1886.647109.0268.3761210.86310.1061412.70111.8351614.70113.8351816.37615.2943.1.6螺栓重要參數(shù)的計(jì)算通過上述求得線路電抗器螺栓尺寸為M12，螺紋緊固件的螺距、旋合長度、擰緊力矩是螺紋緊固件的關(guān)鍵參數(shù)，正確應(yīng)用這些參數(shù)對提高連接可靠性和工作效率，具有重要作用。3.1.6.1螺距計(jì)算在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)先知道螺距，以便計(jì)算出緊固件的旋和長度和擰緊力矩。常用粗牙螺紋緊固件的螺距可通過以下方式進(jìn)行計(jì)算：對于尺寸M6-M14,螺距P等于比公稱直徑稍大的偶數(shù)除以8。對于尺寸M14-M64,螺距P等于公稱直徑除以6的商再除以2后加1,但M60的螺紋其螺距為5.5mm。由上述可得M12的螺紋，公稱直徑為12mm，P等于稍大的偶數(shù)除以8可得P=14/8=1.75mm（12）3.1.6.2旋和長度計(jì)算螺紋緊固件的螺紋長度是可靠連接的一個(gè)非常重要的原因。較長的旋入長度會(huì)導(dǎo)致加工螺紋的時(shí)間過長，從而難以確定精度并增加成本。此外，在裝配過程中容易出現(xiàn)裝拆困難甚至咬合等問題。如果旋入長度過短，使連接的靠譜性下降。所以，正確選用合理的旋和長度能降低加工難度，提升工作效率，降低加工成本。根據(jù)螺紋緊固件受力遞減的規(guī)律,一般旋合長度為螺距的8-10倍?？傻肕12的旋和長度為D=1.758=14mm（13）3.1.6.3擰緊力矩計(jì)算裝配時(shí)，螺栓應(yīng)施加一定的預(yù)緊力。不僅提升螺栓連接的可靠性、抗松能力和疲勞強(qiáng)度，而且連接的緊密性和剛度也得到了提升，且能預(yù)防加載后連件間的間隙或滑移。如果預(yù)緊力太小，作用在螺栓上的載荷會(huì)使螺栓很快松動(dòng)。如果預(yù)緊力過大，整個(gè)連接件的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)增大，在預(yù)緊過程中可能會(huì)因意外過載而導(dǎo)致螺栓斷裂。螺栓連接中出現(xiàn)的松動(dòng)、斷裂、塌陷、連接件損壞等問題大多是由于預(yù)緊力施加不當(dāng)引起的。(1)螺栓小徑計(jì)算d1=d-1.0825P（14d：螺栓公稱直徑P：螺距（2）螺栓危險(xiǎn)剖面的截面積計(jì)算A1=πd12/4（3）螺栓預(yù)緊力計(jì)算Qp≤K1σsK1:預(yù)緊力因數(shù)，碳素鋼0.6-0.7，合金鋼0.5-σs（4）螺栓最大擰緊力矩計(jì)算Tmax=KQpmaxd×10K：擰緊因數(shù)，一般取0.15-0.2由上述螺栓小徑計(jì)算可知，線路電抗器采用12.9級M12碳素鋼螺栓，公稱直徑12mm，螺距為1.75mm，材料屈服極限為1080Mpa，取K1Tmax=KK13.2平波電抗器螺栓組受力分析相關(guān)參數(shù)：平波電抗器重量246kg,H為580mm，a和b為200mm，c和d為520mm。由于平波電抗器與線路電抗器緊固連接方式一樣，那么螺栓受力分析也是一樣。參照線路平波電抗器的計(jì)算步驟同理可的：3.2.1螺栓受沖擊狀態(tài)下的受力分析垂直方向：P=7232.4N,橫軸方向F1=7232.4N,縱軸方向F2=12054N翻轉(zhuǎn)力矩M1=4194792N/mmM2=6991320N/mm復(fù)合沖擊狀態(tài)下的力，如表3-5所示：表3-5各螺栓受力狀況螺栓點(diǎn)1234垂向沖擊2410.8N2410.8N2410.8N2410.8N橫向沖擊2619.4N-1414N2619.4N-1414N橫向沖擊（反）-2619.4N1414N-2619.4N1414N縱向沖擊-1836.45N-8136.45N10546.45N10546.45N縱向沖擊（反）1836.45N8136.45N-10546.45N-10546.45N最大合力13166.65N11961.25N15576.65N14371.25N當(dāng)螺栓受到橫向或者縱向沖擊，產(chǎn)生加速度時(shí)，不論沖擊方向正反，對單個(gè)螺栓來說，受力大小是相同的，只是方向相反了。因此取受力最大的螺栓Fmax=15576.653.2.2螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇（1）求出壓緊力F0≥（2）選擇螺栓材料，確定許用應(yīng)力[σ]=σsS（3）確定螺栓直徑d1≥查表3，當(dāng)d=12時(shí)，d1=10.106mm,略大于8.7mm，與原預(yù)設(shè)相符，故可采用M123.2.3螺栓重要參數(shù)的計(jì)算（1）螺距計(jì)算P=14/8=1.75mm（2）旋和長度計(jì)算D=1.758=14mm（3）擰緊力矩計(jì)算T3.3列供變壓器螺栓組受力分析相關(guān)參數(shù)：列供變壓器重量1363kg,H為320mm，a和b為220mm，c和d為480mm。由于列供變壓器與線路電抗器緊固連接方式一樣，那么螺栓受力分析也是一樣。參照線路線路電抗器的計(jì)算步驟同理可的：3.3.1螺栓受沖擊狀態(tài)下的受力分析垂直方向：P=40072.2N,橫軸方向F1=40072.2N,縱軸方向F2=66787N翻轉(zhuǎn)力矩M1=12823104N/mmM2=復(fù)合沖擊狀態(tài)下的力，如表3-6所示：表3-6各螺栓受力狀況螺栓點(diǎn)1234垂向沖擊13357.4N13357.4N13357.4N13357.4N橫向沖擊10018.05N-3339.35N10018.05N-3339.35N橫向沖擊（反）-10018.05N3339.35N-10018.05N3339.35N縱向沖擊-20946.83N-20946.83N27625.53N27625.35N縱向沖擊（反）20946.83N20946.83N-27625.53N-27625.35N最大合力44322.28N37643.58N51000.98N44322.28N當(dāng)螺栓受到橫向或者縱向沖擊，產(chǎn)生加速度時(shí)，不論沖擊方向正反，對單個(gè)螺栓來說，受力大小是相同的，只是方向相反了。因此取受力最大的螺栓Fmax=51000.983.3.2螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇（1）求出壓緊力F0≥（2）選擇螺栓材料，確定許用應(yīng)力[σ]=σsS（3）確定螺栓直徑d1≥查表3，當(dāng)d=16時(shí)，d1=13.835mm,略大于13.38mm，與原預(yù)設(shè)相符，故可采用M163.3.3螺栓重要參數(shù)的計(jì)算（1）螺距計(jì)算P=16/6/2mm（2）旋和長度計(jì)算D=28=16mm（3）擰緊力矩計(jì)算T3.4接觸器螺栓組受力分析相關(guān)參數(shù)：由于接觸器為垂直吊掛緊固在箱體上，接觸器的重量為8.5kg，其中螺栓到接觸器重心位置H=22mm，固定方式如圖2-3所示。3.4.1螺栓受沖擊狀態(tài)下的受力分析高鐵列車在運(yùn)行時(shí)，通常受到以下三種外力：垂直方向:Fz=249.9N橫軸方向：Fy=249.9N，產(chǎn)生力矩M1=F縱軸方向：Fx=416.5N，產(chǎn)生力矩M2=動(dòng)車組在拐彎、制動(dòng)、加速或蛇行運(yùn)行時(shí)，緊急制動(dòng)時(shí)，對螺栓的沖擊力最大，螺栓最容易變形。在工況最為惡劣的時(shí)候，對螺栓總的受力分析。螺栓在垂向時(shí)受到的總力：垂向:Fx=m×4g=333.2N，產(chǎn)生力矩M螺栓組由三個(gè)按照DIN931標(biāo)準(zhǔn)的螺栓組進(jìn)行緊固，作為鋼與鋼材料結(jié)合的黏性摩擦系數(shù)，我們認(rèn)可μG=0.16，分布情況如圖2-3用螺栓連接的零件的直徑為：D因此我們可以得到每個(gè)螺栓的圓周力：FQ=2Mn?Dn（其中：M為緊固作用時(shí)受到的扭矩值；n為螺栓個(gè)數(shù)）即：F3.4.2螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇（1）求出壓緊力F0≥（2）選擇螺栓材料，確定許用應(yīng)力[σ]=σsS（3）確定螺栓直徑d1≥查表3，當(dāng)d=8時(shí)，d1=6.647mm,略大于6.08mm，與原預(yù)設(shè)相符，故可采用M123.4.3螺栓重要參數(shù)的計(jì)算（1）螺距計(jì)算P=10/8=1.25mm（2）旋和長度計(jì)算D=1.258=10mm（3）擰緊力矩計(jì)算T3.5電容器螺栓組受力分析相關(guān)參數(shù)：電容器重量35.7kg,H為320mm，a和b為300mm，c和d為90mm。由于電容器與線路電抗器緊固連接方式一樣，那么螺栓受力分析也是一樣。參照線路電容器的計(jì)算步驟同理可的：3.5.1螺栓受沖擊狀態(tài)下的受力分析垂直方向：P=1049.58N,橫軸方向F1=1049.58N,縱軸方向F2=1749.3N翻轉(zhuǎn)力矩M1=335865.6N/mmM2=復(fù)合沖擊狀態(tài)下的力，如表3-7所示：表3-7各螺栓受力狀況螺栓點(diǎn)1234垂向沖擊349.86N349.86N349.86N349.86N橫向沖擊1020.43N-845.5N1020.43N-845.5N橫向沖擊（反）-1020.43N845.5N-1020.43N845.5N縱向沖擊-379.02N-379.02N553.95N553.95N縱向沖擊（反）379.02N379.02N-553.95N-553.95N最大合力1749.31N1574.38N1924.24N1749.31N當(dāng)螺栓受到橫向或者縱向沖擊，產(chǎn)生加速度時(shí)，不論沖擊方向正反，對單個(gè)螺栓來說，受力大小是相同的，只是方向相反了。因此取受力最大的螺栓Fmax=1924.243.5.2螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇（1）求出壓緊力F0≥（2）選擇螺栓材料，確定許用應(yīng)力[σ]=σsS（3）確定螺栓直徑d1≥查表3，當(dāng)d=12時(shí)，d1=10.106mm,略大于8.7mm，與原預(yù)設(shè)相符，故可采用M123.5.3螺栓重要參數(shù)的計(jì)算（1）螺距計(jì)算P=14/8=1.75mm（2）旋和長度計(jì)算D=1.758=14mm（3）擰緊力矩計(jì)算T3.6風(fēng)機(jī)螺栓組受力分析相關(guān)參數(shù)：風(fēng)機(jī)重量14.5kg,H為110mm。由于電容器與線路電抗器緊固連接方式一樣，那么螺栓受力分析也是一樣。參照線路電容器的計(jì)算步驟同理可的：3.6.1螺栓受沖擊狀態(tài)下的受力分析高鐵列車在運(yùn)行時(shí)，通常受到以下三種外力：垂直方向:Fz橫軸方向：Fy=426.3N，產(chǎn)生力矩M縱軸方向：Fx=710.5N，產(chǎn)生力矩M2當(dāng)列車在拐彎、制動(dòng)、加速或者蛇擺運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)緊急制動(dòng)時(shí)，螺栓受到的沖擊力為最大，螺栓最容易發(fā)生變形，工況最為惡劣。在工況最為惡劣的時(shí)候，對螺栓總的受力分析。螺栓個(gè)體受力分析螺栓在垂向時(shí)受到的總力：垂向:Fx=m×4g=568.4N，產(chǎn)生力矩M螺栓組由四個(gè)按照DIN931標(biāo)準(zhǔn)的螺栓組進(jìn)行緊固，均勻分布，作為鋼與鋼材料結(jié)合的黏性摩擦系數(shù)，我們認(rèn)可μG用螺栓連接的零件的直徑為：D因此我們可以得到每個(gè)螺栓的圓周力：F（其中：M為緊固作用時(shí)受到的扭矩值；n為螺栓個(gè)數(shù)）即：F3.6.2螺栓小徑的計(jì)算及其尺寸選擇（1）求出壓緊力F0≥（2）選擇螺栓材料，確定許用應(yīng)力[σ]=σsS（3）確定螺栓直徑d1≥查表3，當(dāng)d=6時(shí)，d1=4.917mm,略大于4.88mm，與原預(yù)設(shè)相符，故可采用M63.6.3螺栓重要參數(shù)的計(jì)算（1）螺距計(jì)算P=8/8=1mm（2）旋和長度計(jì)算D=18=8mm（3）擰緊力矩計(jì)算Tmax4關(guān)鍵梁仿真及分析4.1線路電抗器底梁的設(shè)計(jì)底梁作為電抗器的主要承重構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇直接關(guān)系到電抗器的安全運(yùn)行。因此，對其力學(xué)特性的分析已成為設(shè)計(jì)過程中重要而關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)，路線電抗器底梁主要受三種力的影響：1．橫向（車輛橫向）：動(dòng)車組轉(zhuǎn)彎或蛇擺運(yùn)行時(shí)；2．縱向（車輛運(yùn)行方向）：動(dòng)車組起步瞬間，加速、減速時(shí)；3．垂直：電抗器的自重。當(dāng)上述三種力作用于底梁時(shí)，底梁不僅產(chǎn)生彎曲變形，而且產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，對電抗器運(yùn)行的穩(wěn)定性有很大影響，進(jìn)而影響列車的正常運(yùn)行，因此梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。本文在整體梁的設(shè)計(jì)中，通過選擇合適的截面形狀，選擇一定的截面厚度、合理布置橫隔梁，提高了整體梁的剛度。電抗器底梁截面結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。4.1.1基于SolidWorks三維軟件的承重梁屈服強(qiáng)度和安全系數(shù)計(jì)算1.1模型導(dǎo)入(1)建立模型。根據(jù)橫截面各尺寸要求繪制草圖，再通過特征拉伸命令建立承重底梁幾何模型，如圖5所示。圖4-1：線路電抗器底梁三維圖(2)模型導(dǎo)入。選擇Simulation插件，選擇工具欄，點(diǎn)擊新算例，選擇應(yīng)力分析，并對電抗器底梁模型編輯視為橫梁。1.2模型處理(1)材料選擇。承重梁所用材料為AISI304,密度為8000kg/m3，彈性模量E=1.9×1011N/(2)施加約束，并進(jìn)行固定幾何體命令，對其橫梁兩邊的鉸鏈點(diǎn)進(jìn)行固定約束。(3)施加載荷。選擇外部載荷對其施加力，在承重梁上施加相應(yīng)載荷,包括X、Y、Z三個(gè)方向的力和。(4)網(wǎng)格劃分。選擇生成網(wǎng)格命令，設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)格參數(shù)及網(wǎng)格大小，對承重梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分。1.3結(jié)果運(yùn)算前期處理完成后，對模型進(jìn)行計(jì)算，得到承重梁在正常運(yùn)行啟停工況下的應(yīng)力云圖、安全系數(shù)云圖。如圖所示。圖4-2：電抗器底梁應(yīng)力云圖圖4-3：電抗器底梁安全系數(shù)云圖4.1.2結(jié)果分析從圖可以看出，底梁在列車復(fù)雜運(yùn)行工況下σmax=4.514×107N/m2小于許用應(yīng)力，最小安全系數(shù)n=4.582。通過分析可知，4.2線路電抗器頂梁設(shè)計(jì)綜上所述，運(yùn)用相同方法對線路電抗器頂梁進(jìn)行仿真分析，得到的應(yīng)力云圖和安全系數(shù)云圖所示。從圖可以看出，承重梁在列車復(fù)雜運(yùn)行工況下σmax=1.227×108N/m2小于許用應(yīng)力，圖4-4：電抗器頂梁三維圖圖4-5：電抗器頂梁應(yīng)力云圖圖4-6：電抗器頂梁安全系數(shù)云圖4.3列供變壓器底梁設(shè)計(jì)綜上所述，運(yùn)用相同方法對列供變壓器底梁進(jìn)行仿真分析，得到的應(yīng)力云圖和安全系數(shù)云圖所示。從圖可以看出，承重梁在列車復(fù)雜運(yùn)行工況下σmax=1.777×108N/m2小于許用應(yīng)力，圖4-7：列供變壓器底梁三維圖圖4-8：列供變壓器底梁應(yīng)力云圖圖4-9：列供變壓器安全系數(shù)云圖5結(jié)語本設(shè)計(jì)是在國內(nèi)某企業(yè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的高鐵列車供電箱框架和內(nèi)部構(gòu)件緊固結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和驗(yàn)證。本次設(shè)計(jì)綜合了我所學(xué)的知識，開拓了新的視野，培養(yǎng)了一個(gè)自學(xué)的機(jī)會(huì)和新的能力，使我能力得到了提升。在設(shè)計(jì)過程中，深入了解了高強(qiáng)螺絲強(qiáng)度校核的步驟，認(rèn)識到梁截面設(shè)計(jì)和材料選擇的重要性。認(rèn)識到六角螺栓、螺栓組合原理布置、螺栓尺寸及參數(shù)選擇在機(jī)械連接設(shè)計(jì)中的重要性，從而有效地保證設(shè)備的安全運(yùn)行。熟悉列車供電箱內(nèi)各部件的布置設(shè)計(jì)和分布，熟悉各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中對各部件的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。國家高速鐵路技術(shù)水平的高低直接或間接決定了供電箱技術(shù)的先進(jìn)水平，也反映了高速動(dòng)車組的現(xiàn)代化程度和社會(huì)的發(fā)展程度。因此，研究和分析高速鐵路供電箱對提高動(dòng)車組使用壽命，降低生產(chǎn)成本具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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