電機車排障器設計及分析

張春林

摘要：文章基于PRO/E軟件對電機車排障器進行了結構設計，分析指出其結構特點，并通過ANSYS軟件對其結構的兩種受載情況做受力分析計算，證明結構合理性。

關鍵詞：電機車排障器；設計；強度分析

前言

電機車是軌道車輛運輸的一種牽引設備，按使用環境分類為露天使用和礦井使用。電機車主要運輸礦石、廢石、材料、設備和人員等。電機車的使用環境差，積水可能導致看不見軌道，而且運輸過程中可能出現礦石、廢石等掉落在軌道上。為了保證電機車安全使用，電機車排障器是必須的。

為了滿足電機車安全運輸要求，電機車排障器的功能和強度需要全方位的設計。排障器是電機車的重要組成部分，固定于電機車的前端墻下部，主要作用是排除軌道內側的障礙物。電機車排障器能否正常排除障礙物，直接關系到電機車運行的安全性，因此還有必要對電機車排障器結構進行強度分析。

1.電機車排障結構現狀

如圖1-1所示，現有電機車是將一根厚度為25mm的鋼條焊接在電機車前端墻底部，起排開障礙物的作用。

圖1-1 現有電機車排障結構示意圖

通過分析可以得出這樣的排障結構至少有三個缺點：

（1）當電機車撞擊較大障礙物時，受沖擊的是電機車前端墻，障礙物碎散后極易落在軌道上，對輪對造成沖擊，甚至造成電機車脫軌。

（2）障礙物可能頂起電機車前端，進入電機車底部撞壞其他部件。

（3）沒有電機車防撞緩沖結構。當出現能使電機車破壞的沖擊時，沒有防撞緩沖結構，導致電機車破壞程度大或以至于無法維修。

2.電機車排障器設計

電機車排障器設計要求：結構簡單、強度弱于車架但能承受規定沖擊載荷、安裝和維修方便、成本低。

2.1電機車排障器結構

電機車排障器整體三維模型如圖2-1所示，電機車排障器通過背后的一排通孔跟車架前端墻用螺栓連接。電機車排障器長度可以調整單元結構數量而改變。

圖2-1 電機車排障器

電機車排障器由相同的多節單元結構組成，其單元結構三維模型如圖2-2所示，單元結構采用20mm厚的鋼板Q345B拼焊而成，也可以用材料ZG340-640鑄造而成。多個單元結構通過其側面的孔用螺栓連接就組成了一個完整的電機車排障器。在電機車排障器單元結構的前端部撞擊面上增加加強筋，提高結構強度。

圖2-2 電機車排障器單元結構

1-與前端墻的螺栓連接孔、2-單元與單元螺栓連接孔、

3-前端部撞擊面、4-結構加強筋板

3.電機車排障器特點

該電機車排障器有以下6個特點：

（1）結構簡單，易于生產。該電機車排障器可由20mm厚鋼板拼焊組成，前端面設置加強筋，焊接方便沒有死角；該電機車排障器也可以鑄造成型，模型結構簡單。

（2）排障作用好。該電機車排障器能推開電機車前方障礙物，個別障礙物強行擠壓進入到電機車排障器底部，也能被電機車排障器底部的凹坑卡住或二次撞擊將其壓碎，能有效防止障礙物破壞電機車車底的零部件。

（3）對電機車車架起保護作用。電機車排障器設置在電機車的最前端，撞擊時首先受沖擊的是電機車排障器；電機車排障器的結構強度弱于車架結構強度，當電機車受破壞型沖撞時，電機車排障器被破壞而產生形變，同時吸收沖擊動能，延長撞擊接觸時間，削弱沖擊破壞力。

（4）拆裝方便。該電機車排障器通過螺栓與車架前端墻連接，可獨立拆裝，與其他零部件拆裝不干涉。

（5）結構模塊化。該電機車排障器是由多個結構相同的單元結構組成，不同噸位的電機車有不同的車架和軌道寬度，可調整單元結構數量來匹配電機車，且安裝結構無需改變。

（6）維修方便，節約成本。電機車排障器整體受破壞時，將其與車架連接螺栓拆除即可更換電機車排障器；電機車排障器受局部破壞時，將被破壞的單元結構拆除更換即可，節約更換成本。

4.電機車排障器強度計算

電機車排障器強度計算需要考核兩個方面：一、電機車運行時正面排障沖擊載荷影響；二、根據TB/T 2541-2010《機車車體靜強度試驗規范》的要求，對電機車排障器中部正下方進行載荷為140kN的靜載荷計算。

4.1 正面沖擊計算

在電機車運行過程中，根據JB/T 10772-2007《窄軌架線式工況電機車通用技術條件》，電機車車架抗沖擊載荷為電機車粘著重量的1.5～2倍。電機車排障器設計中排障器強度小于整體車架強度，因此取電機車排障器設計強度為1.5倍電機車粘著重量載荷。

以最大粘著重量為45T的電機車為計算目標，電機車排障器承受沖擊載荷為661.5kN。根據該電機車排障器設計結構，總共7個每個單元結構，且每個單元結構受力情況相同，可取單個單元結構做計算分析，其正面沖擊載荷為95kN。

電機車排障器分析情況可見圖4-1、圖4-2和圖4-3。由圖4-3電機車排障器單元結構應力云圖可知，電機車排障器承受1.5倍電機車粘著載荷沖擊時最大應力為322MPa。可以分析得出采用Q345B鋼板或ZG340-640制造的電機車排障器能承受的正面沖擊載荷略大于電機車粘著重量的1.5倍，剛好能夠滿足沖撞強度又能保護車架。得出結論：該電機車排障器滿足正面沖撞設計要求。

圖4-1 電機車排障器單元結構有限元

圖4-2 電機車排障器單元結構受力約束情況

圖4-3 電機車排障器單元結構應力云圖

4.2 靜強度計算

根據TB/T 2541-2010《機車車體靜強度試驗規范》的要求，對電機車排障器中部正下方進行載荷為140kN的靜載荷計算。

以45T電機車為計算目標，該電機車排障器由7個完全相同的單元結構組成。

圖4-4 電機車排障器有限元網格

圖4-5 電機車排障器受力及約束情況

圖4-6 電機車排障器應力云圖

電機車排障器中間部位正下方承受140kN靜載荷分析情況可見圖4-4、圖4-5和圖4-6。由圖4-6電機車排障器應力云圖可知，電機車排障器在140kN靜載荷作用下最大應力為108MPa，遠小于電機車排障器結構材料的屈服應力。得出結論：電機車排障器滿足設計要求。

5.結論

通過分析和強度計算該電機車排障器結構簡單、強度弱于車架但能承受規定沖擊載荷、安裝和維修方便、成本低，滿足設計要求。

6.結束語

本文提出了電機車排障器設計方案，并對其進行了強度分析。理論分析和仿真結果表明該電機車排障器符合當前的設計和應用要求。利用仿真分析來驗證設計的合理性在現代設計過程中經常用到，它不僅能夠提高設計效率和設計質量，還能降低設計成本，是設計過程中的強大助手。

參考文獻：

[1]TB/T 2541-2010，機車車體靜強度試驗規范[S].

[2]JB/T 10772-2007，窄軌架線式工況電機車通用技術條件[S].

[3]胡坤鏡.200km/h客運機車排障器強度分析及設計改進[J].電力機車與城軌車輛，2012（1）：56-58.