電力機車車體承載特性分析

2013-12-23 04:01:22黃學君

機械工程師 2013年11期

黃學君

（株洲電力機車有限公司技術中心，湖南株洲412001）

1 引言

車體是電力機車的重要傳力結構，機車正常運行時，車體是牽引力和制動力從轉向架傳遞給車輛的必經環節。車體是機車二系懸掛系統以上各種設備賴以安裝集成的載體，需承受二系懸掛系統以上全部設備的重量及由全部設備產生的各種動載荷。車體是司乘人員的工作場所，需為司乘人員提供安全舒適的工作環境。隨著電力機車向高速重載方向發展，對電力機車車體的承載能力要求越來越高，因此有必要對電力機車車體的承載特性進行分析，以便在設計車體承載結構時做到有的放矢，通過提高關鍵承載部件的承載能力來提高車體的整體承載能力，設計出滿足要求的合理結構。

2 車體設計載荷

根據文獻［1］，電力機車車體需承受如下各種工況設計載荷的作用：作用在車體兩端后從板座上2000kN 的壓縮力，作用在車體兩端前從板座上1000kN 至1500kN 的拉伸力，作用在牽引梁上蓋板上方150mm 處400kN 的壓縮力，作用在司機室前窗底梁處300kN 的壓縮力，作用在車體上1.3 倍車體設計重量的垂向載荷，帶一個轉向架的車體一端架車和一端起吊，帶兩個轉向架的整車架車和整車起吊，設備在橫向相當于1×9.8m/s2慣性力、縱向相當于3×9.8m/s2慣性力、垂向相當于1.5×9.8m/s2至3×9.8m/s2慣性力對車體的沖擊，作用在牽引座上的牽引力與制動力。

3 車體承載特性

圖1 為電力機車車體，電力機車車體是由底架、司機室、側墻、端墻、頂蓋等組成的一個長條形的腔體結構，大部分電力機車是帶兩個轉向架的，也有極少數帶三個轉向架，車體被支撐在轉向架上，相當于一根兩端外伸的單跨或兩跨簡支梁。

從相關標準要求和機車的實際運行情況來看，車體主要承受縱向偏心壓縮力、縱向偏心拉伸力和垂向力作用。根據車體受力特點和車體形狀及支撐特點，可以用車體橫截面來衡量車體的整體承載能力。

由于頂蓋是由螺栓固定的可拆卸結構，一般認為頂蓋不是車體的主要承載結構，因此去掉頂蓋和頂蓋安裝橫梁，避開設備安裝座、底架橫梁和側墻立柱位置，并且為簡化而不計地板和側墻的孔洞，作出面積最小的車體橫截面，這是車體承載能力最弱的橫截面，也是衡量車體整體承載能力的最佳橫截面。

4 典型載荷分析

4.1 偏心力作用在從板座上

圖2 無中梁車體斷面

這是縱向偏心力作用在車體截面形心下方的情況。圖2 為底架無中間縱梁的車體橫截面，假定在車體兩端車鉤中心線位置施加壓縮力F，由于壓縮力F 的作用點偏離截面形心1078mm，因此壓縮力使車體受壓的同時，還會在縱向鉛錘面內對車體產生1078×F 的彎矩。車體橫截面積為81095mm2，車體橫截面對水平中心軸的慣性矩Iy為6.7×1010mm4，側墻上邊緣距中性軸的距離為2040mm，底架下邊緣距中性軸的距離為887mm。疊加截面上由壓縮力和彎矩產生的正應力，截面中性軸將上移766mm，這時車體截面中性軸位置如圖3 所示，側墻上邊緣出現最大拉應力2.05F×10-5，底架下邊緣出現最大壓應力2.66F×10-5。如果在車體兩端車鉤中心線位置施加拉伸力F，截面中性軸同樣將上移766mm，側墻上邊緣出現最大壓應力2.05F×10-5，底架下邊緣出現最大拉應力2.66F×10-5。

圖4 為底架有中間縱梁的車體橫截面，這時車體橫截面積為90804mm2，車體截面對水平中心軸的慣性矩Iy為7.0×1010mm4，側墻上邊緣距中性軸的距離為2102mm，底架下邊緣距中性軸的距離為825mm，車鉤中心線距離截面形心1016mm。在車體兩端后從板座施加壓縮力F時，截面中性軸將上移675mm，這時車體截面中性軸位置如圖5 所示，側墻上邊緣出現最大拉應力1.95F×10-5，底架下邊緣出現最大壓應力2.3F×10-5。如果在車體兩端前從板座施加拉伸力F，截面中性軸同樣將上移675mm，側墻上邊緣出現最大壓應力1.95F×10-5，底架下邊緣出現最大拉應力2.3F×10-5。

圖3 偏心力作用時無中梁車體斷面中性軸上移

從計算情況來看，車體兩端車鉤中心線處受偏心力作用時，底架最大應力略高于側墻最大應力，底架不但橫截面面積大，而且完全處于應力高的區域，因此底架是車體的主要承載結構。車體橫截面水平中性軸幾乎把側墻橫截面分為等距離的兩部分，但側墻截面積較小，因而側墻實際分擔的載荷也較小，但側墻上弦梁位于側墻的高應力區，而且上弦梁截面在側墻截面中所占比例較大，因此上弦梁是側墻的主要承載結構。

司機室位于車體端部，長度較長，在車鉤中心線處作用縱向偏心力時，司機室要參與偏心力的傳遞。根據側墻的承載情況，要求司機室頂部有與側墻上弦梁對接的梁。司機室側壁門窗孔洞面積大，承載時容易在門窗拐角處出現應力集中現象，因此門窗拐角應大圓弧過渡。

后端墻也位于車體端部，但后端墻長度短，且基本位于從板座之外，因此后端墻不直接承受作用在從板座的偏心力引起的縱向拉伸、縱向壓縮和彎曲作用。但從分析車鉤箱的局部受力可以看出，后從板座受壓時后端墻承受垂向拉力，前從板座受拉時后端墻不受力。

圖4 有中梁車體斷面

圖5 偏心力作用時有中梁車體斷面中性軸上移

4.2 壓縮力作用在司機室前窗底梁

對于圖2 所示底架無中間縱梁的車體，壓縮力f 作用在司機室前窗底梁時，壓縮力f 距底架上平面的高度約為1000mm，壓縮力使車體橫截面產生的壓應力為1.23f×10-5。附加彎矩使截面產生的最大拉應力為0.7f×10-5，最大壓應力為1.61f×10-5。疊加截面上由壓縮力和附加彎矩產生的正應力，側墻上弦梁出現最大壓應力2.84f×10-5，底架下邊緣出現最小壓應力0.53f×10-5。

對于圖4 所示底架有中間縱梁的車體，壓縮力f 作用在司機室前窗底梁時，壓縮力使車體橫截面產生的壓應力為1.1f×10-5。附加彎矩使截面產生的最大拉應力為0.7f×10-5，最大壓應力為1.78f×10-5。疊加截面上由壓縮力和附加彎矩產生的正應力，側墻上弦梁出現最大壓應力2.88f×10-5，底架下邊緣出現最小壓應力0.4f×10-5。

在司機室前窗底梁施加壓縮力時，車體橫截面處于全壓縮狀態，最大壓應力在側墻上弦梁，最小壓應力在底架下邊緣。由于側墻上弦梁截面積較大，側墻上弦梁將承受較大的壓縮力。司機室也處于全壓縮狀態，由于司機室頂部需向側墻上弦梁傳遞壓縮力，因此要求司機室頂部有與側墻上弦梁對接的梁，以便于頂部壓力傳遞流暢。由于門窗孔洞的存在，車體截面發生突變，容易在司機室門角窗角出現應力集中現象，因此司機室門角窗角應采取大圓弧過渡。

根據車體截面的應力分布情況，后端墻需承受側墻傳遞過來的縱向壓力，且頂部壓力大，底部壓力小，這些壓力使后端墻產生剪力和彎矩，后端墻與底架接口截面為后端墻中剪力和彎矩最大的截面，后端墻主要通過立柱和墻板來承受彎矩和剪力。

4.3 車體受垂向載荷作用

垂向載荷為車體自重、設備重力和垂向沖擊載荷。為便于分析車體在垂向載荷作用下的承載特性，假定車體與設備重量沿車長均勻分布。由于車體是靠枕梁支撐在轉向架上，車體可以看成是受均布載荷作用的兩端外伸的簡支梁，圖6 為車體受力圖，圖7 為車體剪力圖，圖8為車體彎矩圖。從剪力圖和彎矩圖可知車體枕梁處剪力和彎矩均較大，車體中部截面彎矩較大。顯然在垂向載荷作用下，最大應力出現在側墻上弦梁。

圖6 車體垂向載荷分布圖

圖7 垂向載荷作用下車體剪力圖

圖8 垂向載荷作用下車體彎矩圖

在垂向載荷作用下車體端部附近截面的剪力和彎矩都很小，位于車體端部的后端墻由于長度較短，因此車體在重力載荷作用時后端墻基本不發揮承載作用。

司機室也位于車體端部，但司機室長度較長，車體在垂向載荷作用下，司機室靠近車體中部側參與承載，靠近車體端部側基本不參與承載。

5 底架承載分析

壓縮力作用在司機室前窗底梁是標準要求車體需承受的設計載荷，垂向載荷和作用在從板座、牽引座的偏心力不但是標準要求的設計載荷，而且是車體實際運行中的常見載荷。根據以上分析，可以看出，底架、側墻和司機室是機車正常運行和停靠狀態下車體中的主要承載結構。

從對車體橫截面的承載特性可以知道，底架邊梁截面大小、邊梁高度、地板厚度，以及底架是否布置中間縱梁等都是影響底架承載的主要因素。

從板座作用偏心力時，對比無中梁和有中梁兩種情況，與無中間縱梁相比，底架有中間縱梁時底架最大應力降低約13%，側墻最大應力降低約5%。司機室前窗底梁作用壓縮力時，底架增加中間縱梁時，底架下邊緣的最大應力降低了24%，側墻上邊緣的最大應力變化不明顯。車體受垂向載荷作用時，底架增加中間縱梁時底架最大應力降低約11%，側墻最大應力變化不明顯。綜合各種典型載荷作用結果，底架增加中間縱梁時可顯著提高車體的承載能力。底架布置中間縱梁還可以使牽引力和制動力傳遞更順暢。

6 側墻承載分析

在以上幾種典型載荷作用下，側墻上弦梁是側墻中應力最大的部位，而且上弦梁截面面積在側墻中所占比例較大，因此上弦梁是側墻的主要承載結構。為了說明側墻上弦梁對整個車體橫截面承載性能的影響，在車鉤中心線作用偏心力，按底架有中間縱梁和無中間縱梁兩種情況來說明，每種情況分別按上弦梁取不同的厚度來分析。分析結果見表1（表1 中a、b 分別代表車體橫截面上邊緣、下邊緣）。

表1 從板座作用偏心力時車體橫截面最大正應力隨側墻上弦梁板厚變化情況

從表1 中可以看出，上弦梁厚度為6mm 時底架下邊緣應力值開始高于側墻上邊緣應力。當上弦梁厚度大于6mm 時，底架下邊緣的最大應力開始無明顯降低，側墻上邊緣的應力降低幅度也變小，對于該車體橫截面，上弦梁合適的厚度取為6mm，該型機車車體側墻上弦梁的設計厚度正是取為6mm。

另外對于在車體兩端前從板座上作用拉伸力、在牽引梁上蓋板上方150mm 處作用400kN 的壓縮力和在司機室前窗底梁作用300kN 的壓縮力等載荷，還需對側墻進行穩定性校核。由于上弦梁分上下兩根，位于上部的上弦梁截面應力較大，根據其截面面積和截面應力計算出上部上弦梁所承受的壓力。再計算上部上弦梁的臨界壓力，上部上弦梁的臨界壓力與實際所承受的壓力之比應不小于必要的穩定安全系數。