小質量電機車車體結構分析及優化

【摘 要】本文重點闡述了小質量電機車車體結構的設計，并詳細介紹了如何利用有限元軟件對其進行校核和優化，提出改良方案，對類似產品有一定的指導意義。

【關鍵詞】質量；電動車；結構分析

0 前言

在地鐵盾構施工中，電機車、沙漿車、渣土車、管片車等組成盾構掘進的后配輔助部分，是盾構機正常工作的必備條件，而電機車在整個盾構后配套系統中起到了主要的牽引和連接作用。在一般情況下，電機車一般有重量要求，而且要求質量足夠大而防止打滑，然而，為了適應各種地鐵施工環境，在盾構機開挖直徑減少和所需牽引力減小的同時，其盾構后配套產品也往輕量化發展，這就要求其后配套產品在質量上有所控制。

1 電機車車體基本結構

電機車車體主要由左右側板，前后端板，前后電機座，前后車鉤座，司機室底座，電瓶托座等組成。由于大部分情況下，要求電機車整車質量達到30噸、45噸或更大，因此機車車體的基本結構板厚均用上厚板，且要適當增加配重以達到要求重量。在這種情況下，機車車體一般不需進行詳細的結構計算，因為電機車本身承載不大，牽引為主，強度一般不是問題，而在板厚夠厚的情況下，剛度和穩定性也相對較強。然而，在整機質量要求在20噸或15噸之內的情況下，車體結構作為電機車的主要鋼結構，其重量直接影響整機重量，因此車體結構的優化減重就顯得格外重要。

2 車體結構計算

2.1 有限元模型建立

車體有限元計算選用大型通用有限元軟件ANSYS，而有限元模型建立的好壞直接影響到計算結果的正確和合理與否，所以車體結構計算的關鍵第一步就是對車體結構的進行合理簡化，得到最接近實際情況的有限元模型。

2.1.1 車體結果模型的簡化

根據車體的結構特點、分析目的和結構的受力特性，簡化第一步就是要對實體模型進行降維。降維是指將三維模型簡化成二維或一維模型，這種簡化的前提是，當某一個方向或某兩個方向的尺寸小于其他方向的尺寸時就可以板或者桿。電機車車體結構大部分由板件焊接而成，因此選用SHELL63單元進行模擬。

2.1.2 模型離散化

采用SHELL單元對模型各構件進行屬性附值后，就要對各板面進行單元離散化，形成最終的有限元模型。網格的劃分通常有兩種形式，一種是映射網格劃分，一種是自由網格劃分。映射網格劃分對形狀要求高，必須是規則形狀，否則會失效，所以需要大量的時間，但是網格劃分質量高，可以保證計算精度，而自由網格劃分則相反，耗時短，工作量小，但可能出現質量很差的單元，會影響計算精度。 電機車車體結構大部分板件都是不規則形狀，如果采取映射網格劃分，將會大大增加工作量，所以采用映射網格和自由網格相結合的方式來對整機模型進行劃分，是比較合理的。對于自由網格劃分，要進行適當的控制，也是能得到較好的單元模型的。

在進行以上兩步工作之后，得到的有限元模型如圖1所示。

2.2 邊界條件的施加

由于電機車本身有牽引和推動的作用，因此簡化為四輪相對地面不動，而由前后牽引座上牽引銷來傳力。此外，由于車體結構本身還承擔司機室，電機減速機，電池箱的自重，因此這些自重產生的力也以外力形式加載于車體結構上。當然，用質量點單元進行模擬也未嘗不可，只是這樣會多一種單元，而且對結果影響也不大。

由于本次計算的目的是查看整車車體結構受力情況，所以車輪與懸掛機構未在有限元模型中建出，而邊界約束需要加載于車輪之上，所以用梁單元將車輪中心與懸掛支座上墊塊連接起來以便傳遞邊界約束，如圖1有限元模型所示。

考慮到車輪在軌道上可能產生一定程度的滑動，雖然本機車四個車輪都是主動輪，在約束邊界的施加上，仍然考慮前輪線位移全約束，而后輪與前輪不同在于釋放掉軌道方向線位移，這是一種偏安全的簡化，可以得到較為保守的計算結果。

2.3 計算工況與計算結果

第一種工況，考慮機車尾部拖重物，啟動狀態，計算結果如圖2、圖3。

第二種工況，機車制動工況，考慮基礎制動和防溜制動同時作用，計算結果如圖4、圖5。

3 結果分析及優化

從以上圖片可知，在工況一下，最大應力為100.154Mpa，最大撓度為2.342mm，而在工況二下，最大應力達到201.755Mpa，最大撓度為2.529mm。電機車板件采用的Q235B，安全系數取1.33，則許用應力應不大于235/1.33=176Mpa。仔細觀察工況二下的應力云圖，可以發現大應力集中于防溜制動板件上，而車體其他部分應力都比較小。因此，在應力大的局部區域可以做局部加強。而本次計算的重要目的還有要減重。從應力云圖看，大部分的區域應力都不大，但還要考慮整體的剛度和穩定性，因此，最有可為的就是司機室底座可將板厚適當減薄。而車體的兩側板是不易減輕厚度的，因為板件本身不厚，而且它是主要承載件和連接件，如果厚度不夠可能會造成局部失穩。

適當修改防溜制動座結構，并將車體其他結構優化之后，再次進行校核，得到計算結果如圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，優化之后最大應力值為152.604MPa，最大撓度為2.704mm，均符合設計要求。在強度和剛度都滿足要求后，需要對其穩定性進行校核。由于圖片較多，現挑選幾階典型振形列圖如下：

由以上振形圖可知，結構基本穩定，會出現局部失穩的地方不會影響整車，因此穩定性校核通過。

4 結論

通過本次計算，可以看出質量輕的電機車在設計過程中仍然有許多不足。調整過后，雖然強度和剛度均滿足設計要求，可是在防溜制動座周圍，以及防溜制動底板設計過強，應反思防溜制動是否需要如此大的制動力。司機室底板板厚減薄以減輕整車重量，是否可以考慮調整司機室底架結構設計，以免讓整車結構頭重腳輕。穩定性計算雖然通過校核，可電機車在實際使用過程中，可能出現輕微碰撞，因此車體側板和前后端板不宜過度薄弱，在優化減重過程中，或許改結構比直接改板厚來得有效。

[責任編輯：周娜]