铁路客车空调机组有限元模型

铁路客车空调机组有限元模型内容摘要铁路机车是旅客的主要运输工具。

现代铁路客车在保证高速、安全运行的同时，而且还要给旅客提供一个更加舒适、卫生的环境。

由于世界人口众多，目前的铁路运输环境还不能满足当前形势发展的需求。

机车空调机组数量与实际需求相比差距仍然很大。

可喜的是近年来铁路技术正在高速发展，而且已经取得了举世瞩目的成就。

目前，各国铁路均已基本实现客车空调化。

关键词铁路空调客车有限元绪论近十几年来我国铁路空调机车技术发展很快，无论在设计、制造工艺还有试验等方面都取得了很大的进步。

铁路机车空调技术已经成为衡量我国铁路机车建设的重要标志。

由于铁路机车空调是在相对特殊的工作条件下进行工作的，为了保证其性能能够满足实际运行的需求，因此机车空调机组在设计和制造过程中需要相对特殊的技术要求1。

机车空调机组工作环境的复杂性主要体现在以下几个方面：（1）机车的流动性比较强。

空调机组的工作环境温度变化范围比较大，要求空调机组具有很强的的适应性，能够保证机组在较高的环境温度（试验要求45 V）下正常工作，保证其可靠性和稳定性。

（2）机车空调机组工作环境恶劣、维修困难。

机车空调机组结构要满足相应的强度要求（包括各结构件之间的焊接、螺栓连接等）。

设计时，结构设计必须合理，以便于维修保养。

（3）提高机车空调机组的耐震性。

由于列车行进过程中，机车会受到冲击和振动，这将对空调机组的正常工作产生很大影响，容易使箱体内结构件的焊接处和箱体内的机电设备连接处发生疲劳破坏。

因此空调机组在设计过程中，压缩机、冷凝器等机电设备的螺栓连接处都增加了橡胶垫，用以对空调机组进行减震，从而达到耐震性要求。

（4）空调机组运行过程中，箱体内的机电设备如压缩机、离心机等都会产生的振动，如果其与车体产生共振，将对机车的安全带来严重影响。

同时也影响机车运行的稳定性和舒适性，所以空调机组安装时要采用隔振和减震装置。

1我国铁路空调客车旳历史简况上世纪50年代末灯始，我国就开始独立生产空调客车，但由于技术落后发展非常缓慢。

1958年，四方车辆厂生产了我国第一辆拥有独立知识产权的空调客车。

1966-1968年，四方车辆厂与长春车辆厂合作设计制造了L8型空调硬卧和软卧客车。

1976年后，为满足广大旅客的要求，四方、唐山车辆厂联合为“广九”铁路干线设计生产了“广九”空调客车。

1980-1981年，长春、唐山等车辆工厂共同开发生产了25.5 m空调客车。

为寻求我国客车空调技术的发展，从1980年初，长春车辆厂开始着重单元式空调机组的研发，目前该机组已经成为空调客车的主流。

上世纪90年代，我国空调客车技术取得了重大突破。

1989年由唐山车辆厂、长春车辆厂、蒲镇车辆厂等联合设计制造的25.5m集中供电式新型空调客车（即25A型空调客车），此车型已成为我国空调客车技术发展史上的一个重要转折点。

25A型空调客车在研制和生产过程中大量采用新技术、新材料和新工艺，采用集中式进行供电。

此车型1990年9月7日开始投入运行，运行效果良好。

为了降低生产成本，我国又生产了25G型集中供电式空调客车。

1994年开始，我国又成功研制了25Z型全列空调客车，并成功应用于广深线的准高速铁路2。

上世纪80年代，我国铁道部开始从日本进口车顶单元式空调机组：如RPI-9008V/6003V、0179/792 和CU750 等型号，其功率为20.9-40.7 kW。

以后又进口了小型单元空调机组RPU-1512，其功率为3.5kW，安装于公务客车上。

1989年我国铁道部从法国进口的AIF-5L2900型空调机组，其蒸发器、冷凝器等设备采用铜管翅片，主要优点为：热交换性能良好、机组的控制系统和监测系统都比较先进。

与此同时，我国广州冷气机厂和上海冷气机厂合作通过改革创新相继研制了新型单元式空调机组CK-20和LCK-20/35，其压缩机都是采用当时最先进的全封闭活塞式压缩机。

由于当时我国科学技术还不是很完善，国产客车空调机组在自动控制系统和可靠性方面与围外机组相比还有较大差距。

但从长远意义来说，首批国机组为以后研究新型空调机组积累了宝贵经验，加快了我国列车空调工业的进步，为我S在列车交调技术领域打下了良好的基础。

上世纪90年代，继25A型空调客车后，石家庄国祥运输设备有限公司又设计生产了KLD29型和KLD40型空调机组。

该机组广泛应用于25G、25T等集中供电空调客车上。

在保证质量和性能的前提下，为降低生产成本，降低了材料的档次，目前箱体主要结构均采用不锈钢板焊接而成。

本世纪初，为适应中国发展的新形势，我国推出了首列“和谐号”动车组。

目前，山青岛四方轨道客车有限公司生产的CRH2、唐山轨道客车有限公司生产的CRH3以及长春轨道客车有限公司生产的CRH5都相继投入了市场。

上述动车组已在全国铁路主干线上投入使用，并且收到了良好的效果。

山三菱公司设计生产的EU651、EU691型空调机组，已成功应用于高速铁路动车每小时200/300/350公里的动车组上3。

2我国机车空调机组的现状及未来发展趋势2.1我国机车空调机组的现状我国从八十年代开始生产车顶单元式空调机组，经过几十年的发展，积累了宝贵的经验。

1994年开通的广深准高速列车上装备着当时我国最先进的国产空调机组。

目前全列空调客车在全国各大主干线上以全面投入运营。

2008年4月，我国首列国产时速350公里CRH3型“动车组”在唐山轨道客车有限公司下线，标志着我国铁路技术以进入新的时代。

目前动车组在京沪高速铁路、广深线等主要干线已投入运行，且其舒适性、安全性及高速性得到了广大旅客的好评。

相信未来几年，我国铁路客车空调无论在数量还是在质量上都会有长足发展。

在列车空调机组的发展过程中，经历了多个方面的转变。

从供电方式方面，客车空调机组经历了从车体供电到地面集中式供电的转变，这种供电方式的优点是：有较强的灵活性和适用性、不受牵引力的限制、便于维护和保养。

从安装形式方面，客车空调机组经历了分装式到单元式的转变，单元式的优点是-结构紧凑、维护和保养方便、管路不易泄漏，但是由于安装在车顶，提高了列车的重心，给列车的平稳性带来了一些影响4。

压缩机是空调系统最为重要的组成部分，目前铁路机车空调系统所使用的是全封闭式压缩机。

虽然这种压缩机具有结构紧凑，密封性好，体积小重量轻等优点，但由于其维修困难、结构复杂、振动噪声大等缺陷，国外已经开始使用旋转式压缩机。

旋转式压缩机由于具有结构简单、噪音和振动小、运行平稳等优点，我国应着力向旋转式压缩机发展，使其广泛应用于机车空调系统。

2.2我国机车空调机组的未来发展趋势铁路空调技术是一项高新技术，包含了热力学、机械、传感器技术、空气动力学、自动控制技术及计算机技术等多个专业领域。

目前，我国空调机组在使用寿命、自动化及可靠性和稳定性方面还有一些缺陷。

由于之前积累了宝贵经验，为我国铁路空调技术的发展打下了坚实的基础。

未来我国客车空调系统主要按照如下几个方面进行设计研究：（1）小型化、轻量化。

尽量选取质量小，体积小的HI缩机、冷凝器等机电设备。

这样可以使空调机组的结构更加紧凑，给车厢更大的空间，提高舒适性。

设计时，在满足结构强度要求的基础上，尽量减小机组的重量和外形尺寸，改善机组的布置格局，提高机组的稳定性和可靠性。

（2）操作自动化。

发达国家的空调机组已基本实现自动化，车厢内安装微机控制系统，可以将车厢内的温度、湿度通过传感器传输到控制系统内，然后由微机发出指令，从而达到控制车厢内温度和湿度的作用5。

（3）节能。

采用从地面集中对空调机组供屯，减少了二次供电带来的能量损耗。

从空调机组的节能方面，提高单位耗能的制冷能力。

（4）提高舒适性。

将空调机组安装于车底，降低车辆的重心，增强机组的耐震性，从而达到提高车体的平稳性和舒适性的目的。

对车厢内空气进行适当的制冷或制热、增湿或减湿，从而保证车厢内环境适宜。

3机车空调机组有限元模型3.1机车空调机组有限元法的基本思想有限元法实际上就是将物体（连续体、连续介质）离散成有限个且按某种方式相互作用在一起的单元组合用来模拟原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值分析方法。

有限元法的基本思想包括以下几个方面：（1）假想把连续系统分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的指定点（节点）处相互连接，构成一个舉元集合体来代替原来的连续系统。

在节点上施加边界条件，代替实际作用于系统上的外载荷。

（2）以单元分块近似的思想，按照某种规则（力学关系或者某种函数）建立未知量与节点相互作用之间的关系，例如力与位移的关系、热量与温度的关系以及电压与电流的关系等。

（3）将连续系统所有单元的某种特性关系按照一定的条件（变形协调条件、连续条件以及能量原理等）结合起来，然后加入边界条件，形成一组以节点变量（位移、应力、温度等）为未知量的代数方程组，经过求解得到所有节点的未知变量6。

3.2机车空调机组有限元法的特点有限元法具有以下几方面特点：（1）概念清楚、容易理解。

可以在不同水平基础上建立起对有限元法的理解。

由于每个人的理论基础不一样，理解深度也不一样，既可以通过物理意义的角度进行学习，也可以从力学概念和数学概念方面进行论。

（2）适用性强、应用范围广泛。

有限元法可以用来求解工程中各种复杂的问题。

如复杂形状结构问题、复杂边界条件问题、非线性问题、动力学问题等。

由于有限元法在理论上的成熟和应用上的不断发展，其使用范围越来越广泛。

比如，有限元法在固体力学、流体力学、热传导学及电磁场学等领域都取得了巨大的发展。

（3）由于有限元法采用矩阵的表达形式，便于计算机程序的编制，这样充分利用了当前高速发展的计算机方面的优势。

目前，国内外有很多有限元分析软件，如ANSYS、ASKA、NASTRAN、ABAQUS 等7。

有限元法也有一些缺点，如对于复杂的工程问题，计算量是非常巨大的，所以使用一般的计算机不能满足要求。

还有，在进行工程计算问题之前，首先要编制计算机程序，而且必须运用计算机才能求解。

另外，有限元计算前的数据准备、计算结果的数据整理工作量非常大。

不过，由于计算机行业的不断发展，上述问题已不再难以解决。

3.3空调机组有限元模型3.3.1模型建立方案由于空调机组结构比较复杂，箱体结构包括前箱体、中腔、翼板、支撑板等几个大部件组成，且每个部件都有若干个零件构成，因此建模过程中会产生数目庞大的节点和单元，为了避免节点和单元编号的混乱而出现建模错误，采用了命令流方式对空调机组建模。

建模过程中，首先对大部件进行建模，建模时充分利用局部坐标系的优点，旋转和移动局部坐标系到其实际位置进行建模。

对于结构中孔比较多的板或者结构比较复杂的零件，釆用循环语句的形式。

对于结构相同但是参数不同的零件来说，只需要修改循环语句中的参数即可完成建模。