重載機車車體的設(shè)計原則與結(jié)構(gòu)特點

李立山,楊俊杰

(中國北車集團(tuán) 大同電力機車有限公司 技術(shù)中心,山西大同037038)

進(jìn)入新世紀(jì),我國經(jīng)濟得到進(jìn)一步快速發(fā)展,但鐵路運輸作為國民經(jīng)濟“瓶頸”的局面始終沒有得到根本改觀,鐵道部提出了鐵路技術(shù)裝備現(xiàn)代化的戰(zhàn)略決策,高速重載已成為今后中國鐵路運輸?shù)闹饕l(fā)展方向。對于單機承擔(dān)5 000 t以上重載列車牽引任務(wù)的機車來說,有其獨特的技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)特點。

1 重載牽引對機車的特殊要求

大秦線是我國重載牽引的主要干線。根據(jù)大秦線多年開行重載列車的經(jīng)驗,用于重載列車牽引的機車至少要滿足以下3個方面的要求:

(1)軸重大。機車要滿足重載牽引的要求,必須在足夠大的機車總功率的前提下,具有足夠大的牽引和制動能力。而牽引和制動能力的發(fā)揮受到輪軌之間的最大黏著力限制。加大軸重,增加機車的黏著力,是充分發(fā)揮機車大功率的有效途徑。國際重載協(xié)會規(guī)定的重載機車的軸重為25 t以上。目前我國大秦線使用的“和諧型”大功率交流傳動電力機車的軸重為25 t,30 t軸重的機車車輛正在研發(fā)過程中。

(2)承擔(dān)較大的縱向沖擊力。重載列車載運總重大、長度長,在制動或調(diào)速時,列車中的縱向沖擊力很大,對車輛和處于組合列車中部的機車產(chǎn)生很大的沖擊力。大秦線“1+1”2萬噸組合列車試驗中的最大縱向力達(dá)到近3 300 kN。因此,重載電力機車必須有足夠大的縱向承受能力。

(3)承受縱向沖擊的頻繁變化。重載列在運行過程中由于受線路狀況、列車調(diào)速、制動等的影響,列車受縱向沖擊的大小幅度和方向均在不斷的變化中,機車車輛所承受的縱向沖擊力也在不斷變化。因此,重載機車結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗疲勞特性。

2 重載機車車體的設(shè)計原則

車體是機車縱向受力的主要傳力部件。重載牽引對電力機車的以上特殊要求,基本上是通過機車車體的結(jié)構(gòu)和強度的設(shè)計來實現(xiàn)的。因此,在設(shè)計重載機車車體時應(yīng)服從基本的設(shè)計原則,考慮多方面的因素,從車體結(jié)構(gòu)、材料選用、設(shè)備緊固、焊接可靠性及抗疲勞特性等來滿足機車的安全運行要求。重載機車車體設(shè)計應(yīng)符合以下的原則:

(1)重載機車車體應(yīng)滿足縱向壓縮3 000 kN和拉伸2 500 kN的載荷要求。重載機車的技術(shù)規(guī)范要求機車車體能夠滿足在如此大的載荷下,車體應(yīng)能夠不發(fā)生永久變形。因此,車體承載結(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)采用由底架、司機室(或后端墻)、側(cè)墻等組成的框架式整體結(jié)構(gòu)。GB3317-82或UIC566《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定車體的縱向壓縮載荷為2 000 kN和拉伸載荷為1 500 kN,這已經(jīng)不能夠滿足大秦線2萬t組合列車的牽引需求。

(2)重載機車車體應(yīng)采用高強度耐低溫的材料。由于機車在運行過程中,受路況、環(huán)境溫度、交變載荷的影響,車體各部分承受的應(yīng)力變化不同,因此,設(shè)計時應(yīng)選用有較高的屈服強度和耐低溫的材料來滿足其運行要求。

(3)應(yīng)對重載機車車體進(jìn)行疲勞強度校核。由于重載機車車體的工況較為復(fù)雜,載荷較大,而且在運行過程中載荷變化頻繁,對機車車體應(yīng)滿足這種交變應(yīng)力的需求,因此,在設(shè)計時車體必須要有足夠的疲勞強度,保證在任何循環(huán)載荷下的安全性。

(4)設(shè)備緊固件滿足強度要求。對于重載機車來說,由于縱向沖擊力大,而且沖擊力變化頻繁,車內(nèi)設(shè)備的連接螺栓承受的載荷相應(yīng)要大,載荷變化也頻繁,因此,為保證各個設(shè)備的連接螺栓不滑移、不斷裂,設(shè)計時應(yīng)基于有限元強度和剛度計算結(jié)果對設(shè)備緊固件強度等指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)計算。

(5)車體的焊縫必須滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。重載機車車體各部件的焊縫應(yīng)根據(jù)其重要性、載荷特性、焊縫形式、工作環(huán)境及應(yīng)力狀態(tài)等情況選用不同等級的焊縫。對于承受壓縮載荷和拉伸載荷較大的焊縫,設(shè)計時應(yīng)選用較高級別。

(6)重載機車需要大軸重,所以車體鋼結(jié)構(gòu)的梁件可做得比較粗笨,板件的厚度也可以很大。但是,為了節(jié)約成本也可以在滿足強度和剛度的前提下,通過加壓鐵的辦法,增加機車的簧上質(zhì)量,以增加軸重。HXD2系列機車就是這方面的最好例子。

(7)對于重載機車來說,由于運行速度不高,車體鋼結(jié)構(gòu)不需要流線型外形,可以采用棱角分明、簡潔明快的結(jié)構(gòu),以簡化工藝,降低制造成本。為保持外形美觀,可采用容易成形和成本較低的玻璃鋼件來進(jìn)行裝飾。

3 重載機車車體的結(jié)構(gòu)特點及實現(xiàn)形式

目前,國內(nèi)生產(chǎn)的 HXD1、HXD2、HXD3型機車均為重載機車,其車體結(jié)構(gòu)和載荷要求基本相同,下面就以大同電力機車有限責(zé)任公司新開發(fā)的HXD2B型電力機車車體為例,簡要說明重載機車車體的結(jié)構(gòu)特點。

3.1 車體承載結(jié)構(gòu)

HXD2B機車車體采用整體框架式承載結(jié)構(gòu),車體結(jié)構(gòu)以橫向中心線對稱布置,主要由底架、側(cè)墻、司機室等組成,車體承載結(jié)構(gòu)總重約為29 t,見圖1所示。

3.1.1 司機室鋼結(jié)構(gòu)

司機室承載結(jié)構(gòu)由前墻、左右側(cè)墻及頂部結(jié)構(gòu)4個模塊組焊而成。司機室前墻上部向后傾斜30°,由4根封閉的梁柱組成前窗窗口,下部前端板為U型厚鋼板。左右側(cè)墻頂部上弦梁為箱形結(jié)構(gòu),與側(cè)墻上弦梁截面一致,下部為桁架式結(jié)構(gòu)。司機室頂部角梁為半圓弧曲面圓滑過渡,從而減小了應(yīng)力集中,保證了機車承受縱向壓縮或拉伸時力流在整個車體內(nèi)平穩(wěn)傳遞。司機室鋼結(jié)構(gòu)見圖2所示。

3.1.2 底架

底架是整個車體的承載基礎(chǔ),它承受車體本身的質(zhì)量和所有車內(nèi)設(shè)備的質(zhì)量,同時還傳遞機車的牽引力和制動力。底架主要由端部牽引梁、牽引橫梁、枕梁、側(cè)梁、沙箱梁等組成的框架式結(jié)構(gòu),見圖3。

圖1 車體承載結(jié)構(gòu)

圖2 司機室鋼結(jié)構(gòu)

圖3 底架

端部牽引梁為整體的L形箱形體結(jié)構(gòu),下部為車鉤箱,用于安裝車鉤和緩沖裝置,牽引梁兩側(cè)設(shè)有機車救援用吊銷孔。

牽引橫梁由上蓋板、立板及壓形鋼板組成箱形結(jié)構(gòu),其兩端有二系橡膠堆安裝口與機車轉(zhuǎn)向架相連接。牽引橫梁中部安裝有牽引座。因此,牽引橫梁起傳遞牽引力的作用。

枕梁結(jié)構(gòu)與牽引橫梁基本相同,但寬度尺寸較小。牽引橫梁與枕梁構(gòu)成一個整體的模塊,用來保證與轉(zhuǎn)向架的連接。

側(cè)梁由兩塊L形壓型鋼板對焊成封閉箱體,內(nèi)部沿縱向分布有隔板。橫向減振器座、橫向止擋、整車起吊裝置及架車墊板安裝在兩端側(cè)梁上,變壓器座以嵌入式的方法安裝在中間側(cè)梁上,在側(cè)梁側(cè)面設(shè)置了用于機車整體起吊的吊銷孔和沙箱注沙孔。為增加車體的軸重,在底架上設(shè)有配重塊。

3.1.3 側(cè)墻

側(cè)墻主要由側(cè)墻蒙皮和上弦梁及壓形槽鋼立柱組焊構(gòu)成。蒙皮采用了波紋的形式,增強了車體的承載能力。上弦梁由壓型鋼板組成箱體結(jié)構(gòu),內(nèi)部焊有隔板,在側(cè)構(gòu)上開設(shè)有牽引電機通風(fēng)口。在右側(cè)墻后部還開有專供設(shè)備維修使用的維修門艙口。見圖4所示。

圖4 右側(cè)墻

3.2 車體材料

HXD2B車體主要采用了S275J2G4、S355J2G4兩種質(zhì)量等級較高的耐低溫性能的可焊低合金結(jié)構(gòu)鋼,這兩種材料在-40℃條件下沖擊功不小于27J。

3.3 車體焊縫等級要求

HXD2B車體的焊接結(jié)構(gòu)件的產(chǎn)品圖紙上均標(biāo)明了焊縫質(zhì)量等級、缺陷驗收等級和檢驗等級。車體骨架焊縫執(zhí)行焊縫質(zhì)量等級為C2級;車體焊接支架焊縫執(zhí)行焊縫質(zhì)量等級為D級;其他螺栓配件焊縫執(zhí)行焊縫質(zhì)量等級為D級。

3.4 車體靜強度與模態(tài)計算

采用ANSYS11.0通用分析軟件,建立車體承載結(jié)構(gòu)有限元模型。單元總數(shù)311 659,節(jié)點總數(shù)302 021。圖5為壓縮工況下的應(yīng)力云圖。

圖5 壓縮工況的應(yīng)力云圖

在壓縮工況下的最大應(yīng)力為323 MPa,位于司機室入口門后端;在拉伸工況下最大的應(yīng)力為259 MPa,集中于右側(cè)入口門上方的橫梁上;在抬車工況下的最大應(yīng)力為282 MPa,位于兩起吊點之間。在車體—轉(zhuǎn)向架連接工況下為343 MPa,位于牽引橫梁內(nèi)鋼板上。車體所有工況下各部位的應(yīng)力均在許用應(yīng)力之內(nèi),滿足設(shè)計要求。由計算得到車體一階彎曲振動的自振頻率為14.1 Hz。

3.5 車體疲勞強度計算

根據(jù)材料的機械性能,繪制了相應(yīng)的Goodman圖(圖6),用來進(jìn)行疲勞強度的校核。

圖6 S355J2G4的 Goodman疲勞極限圖

計算得到垂向動載荷工況下的最大應(yīng)力為131 MPa,位于維修門左下圓角處;扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力為63 MPa,也位于維修門左下圓角處;橫向減振器座最大應(yīng)力為48 MPa。

3.6 設(shè)備緊固件計算

基于有限元分析結(jié)果,各個設(shè)備緊固件位置處的體積塊節(jié)點與車體上的對應(yīng)節(jié)點耦合來連接傳力,計算得到緊固件節(jié)點的應(yīng)力后,轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的力與標(biāo)準(zhǔn)中的緊固件許用應(yīng)力比較來判斷是否滿足要求。所有設(shè)備承受由±3g縱向加速度、±1g橫向加速度和(1±2g)垂向加速度產(chǎn)生的外力而不產(chǎn)生滑動,承受由±5g加速度產(chǎn)生的外力,緊固件不斷裂。

HXD2B車體承載結(jié)構(gòu)在中國鐵道科學(xué)研究院進(jìn)行了一系列的型式試驗,均滿足總體技術(shù)規(guī)范的要求,表明HXD2B車體設(shè)計通過了試驗驗證。

4 結(jié)論

通過以上分析,得出如下結(jié)論:

(1)列車重載牽引對機車提出的特殊要求,包括大軸重、承受頻繁變化較大的縱向沖擊等;

(2)重載機車車體的設(shè)計原則應(yīng)體現(xiàn)在下列幾方面:承擔(dān)縱向3 000 kN壓縮載荷和2 500 kN拉伸載荷,采用高強度耐低溫材料,通過加壓鐵增加機車軸重,以降低產(chǎn)品成本、通過對關(guān)鍵承載部位及焊縫的疲勞強度校核,提高車體的抗沖擊韌性、基于有限元法對車內(nèi)設(shè)備緊固件強度校核,增強車內(nèi)設(shè)備安裝的可靠性;

(3)重載機車車體的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計可以工藝制造簡單為原則,通過易成型材料來實現(xiàn)車體外形的美觀性。

[1] 楊俊杰.“1+1”兩萬噸組合列車模式下機車鉤緩裝置的承載特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D].北京:北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文.2010.

[2] 郭乃祥.楊俊杰.HXD2型電力機車車體的強度計算與試驗研究[J].機械管理開發(fā),2008,23(3):3-6.

[3] Y.DAROU B061030313-A0.Technical Specification Welded Assemblies[S].Belfort in France:ALSTOM 2009.

[4] M.DELERIS B061023671-E0.Structural Steel Technical Specification[S].Belfort in France:ALSTOM 2009.

[5] M.DELERIS.Static Validation of the Locomotive Body Structure Technical Specification[R].Belfort in France:ALSTOM 2005.

[6] J.L LEHMANN.Synthesis Static Structural Strength Test on Body Frame of HXD2B Locomotive[R].Belfort in France:ALSTOM 2009.