緬甸米軌機車底架設計

林　紅,郝曉明,朱立興（南車四方車輛有限公司,山東　青島　266111）

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緬甸米軌機車底架設計

林紅,郝曉明,朱立興
（南車四方車輛有限公司,山東青島266111）

摘 要：主要介紹了出口緬甸米軌機車底架設計，闡述了其結構及特點，并通過Catia建立底架模型，采用Ansys對其進行有限元分析，檢驗底架強度。

關鍵詞：米軌機車；底架；強度；結構設計；有限元

1　前言

出口緬甸機車是南車四方車輛有限公司基于多年的電傳動內燃機車設計、制造經驗，設計的一種由一臺柴油發電機組提供牽引動力，采用AC-DC交-直電傳動的內燃型碳鋼機車；主要用于在緬甸鐵路公司米制軌道系統內的平原地區和山區，牽引客車、混合客貨列車和貨運列車。

2　主要技術參數

依據緬甸鐵路限界條件及合同技術要求，分析總體布置，確定底架主要技術參數，如表1所示。

表1　主要技術參數

車體上部從前至后依次為Ⅰ端司機室、電氣室、動力室、冷卻室、輔助室、Ⅱ端司機室。各室之間、室與底架間采用螺栓連接，連接間隙以橡膠條密封，車體斷面如圖1所示；車體采用底架承載。

3　設計原則

（1）緬甸機車適用于米軌，車輛長寬小，車鉤中心與邊梁上平面高度差大；中梁應降低對底架空間的占用，避免應力集中；

（2）橫梁采用變截面口型梁，并根據柴油機組等重載設備位置合理分布；

（3）能承受縱向不低于120t的壓縮載荷。

（4）底架材料以高強度合金鋼Q345B為主；次要部位板梁采用耐候鋼Q295GNH，型材采用Q235B。

4　底架組成

底架承受橫、縱向載荷沖擊；并承受設備垂向載荷。采用中梁結構，提高其承載能力，主要由端部、中梁、邊梁、旁承梁、橫梁及設備安裝座、地板等組成。底架2D如圖2所示。

地板采用耐候鋼，分段鋪焊在底架梁柱上方，保證剛度；地板均勻開設漏水孔，避免底架積水銹蝕。

每組旁承梁兩側對稱設計4個轉向架起吊座，滿足車輛整車起吊需要。

枕內對稱設架抬車位，為車輛制造、檢修及維護提供必要支撐。

4.1端部組成

端部對稱布置在底架兩端。上部安裝司機室；下部設車鉤箱，安裝車鉤及緩沖裝置；端板安裝排障器、緊急救援吊座，端部結構如圖3所示。

端部兩側對稱設計砂箱，每個砂箱達到175kg容砂量，提高車輛不同工況下的牽引、制動性能。

側板組成分置端部組成兩側，從側面看，可遮擋端部組成大部分結構，提高車輛的美觀性；同時，側板組成與邊梁焊接，還可提高端部強度。

4.2中梁組成

中梁位于底架中部，并縱向貫穿。中梁由左中梁、右中梁、牽引銷座、底板及補強結構等組成。左右中梁為拼焊口型梁，兩中梁之間設風道盒，中梁內部設風道，以實現將冷卻風機傳出的冷卻風輸送至轉向架牽引電機，確保車輛運行安全。

中梁下部設計3組牽引銷安裝座，安裝轉向架牽引機構。牽引銷座背面設框架式補強結構，提高安裝座強度。

中梁組成兩端與端部組成連接，上部及兩側分別通過地板、橫梁，與邊梁連接。底架橫斷面如圖4所示。

4.3邊梁組成

底架兩側對稱設計邊梁組成，材質為Q345B槽鋼，高度160mm，兩端帶折角，向內收縮；每側邊梁開3個吊車孔，安裝吊車筒；枕內對稱設計4組抬車座。

4.4旁承梁組成

緬甸機車采用3組轉向架，轉向架二系彈簧采用橡膠旁承。每組轉向架采用2個橡膠旁承，在底架對應設計3組共6個旁承梁，對稱布置。旁承梁主要由腹板、下蓋板、隔板及旁承座體組成，結構如圖5所示。

旁承梁以底架地板為上蓋板，待地板落裝后，使旁承梁呈封閉箱型結構，提高強度。

旁承梁一端與邊梁連接，另一端與中梁組成連接。

4.5橫梁組成

在邊梁與中梁之間，設計橫梁，橫梁截面為口型，采用變截面形式，以連接邊梁和中梁，橫梁上開制動、電氣管路孔。

5　難點與應對

對比準軌車輛，米軌車輛長寬明顯較小，底架強度、設備布置面臨諸多困難。

5.1難點分析

（1）根據總體規劃，端部轉向架將底架端部縱向跨度限制在不足1200mm范圍內，壓縮了端部的縱向延伸空間，不利于該部位集中載荷的緩解和分化，見圖6。

（2）端部與中梁組成呈兩級臺階關系，車鉤箱縱向載荷作用中心與邊梁上平面存在816mm高度差，根據剛性結構的力學傳遞特性，端部組成與中梁組成連接的截止端頂部為危險應力高發區；

（3）轉向架的撒沙裝置放在端部；同時端部制動管路排放密集，見圖6，空間緊張；

（4）根據總體規劃，轉向架牽引電機冷卻風傳送、電機主線纜及牽引銷座補強結構，集中布置，且都與中梁組成有一定重合。

5.2應對措施

根據以上分析，分別在端部、中梁結構采取針對設計。

（1）車鉤箱由腹板組成、防跳板、大擋板和小擋板組成箱型結構，位于端部組成下部。車鉤箱箱型結構內側設從板座、磨耗板，安裝鉤緩裝置，并直接承受縱向牽引載荷。

首先將腹板設計為雙層結構，在兩層腹板之間，設計補強筋板；腹板與中梁連接，并與中梁腹板位置對應，以增加兩者間的連接面積，提高中梁對車鉤箱縱向載荷的分擔。

其次，在車鉤箱向轉向架一端設計大端板，吸收縱向載荷；此外，砂箱同時用于強度結構，通過砂箱體等部件，將中梁與邊梁連接，使端部形成大截面箱型結構，見圖3。

（2）中梁縱向貫穿底架，是底架縱向載荷及彎扭載荷的主要承擔者，結合轉向架牽引銷安裝需要，采用高度300mm大高度中梁。

車鉤箱與中梁連接截止端，設計過渡結構，見圖3，緩解截面突變，避免應力集中。

（3）左右中梁之間設通長底板，中梁底板與中梁腹板、地板形成封閉腔，腔內布設電機主線纜，同時容納風道盒、牽引銷座補強結構，如圖7所示，以解決空間爭搶問題。

6　計算

底架結構確定后，采用Catia建立3D模型，并用Ansys對其進行有限元分析。

6.1有限元模型

底架有限元模型以4節點等參薄殼單元為主，并用質量元模擬附加結構質量；模型單元總數為370260，節點總數為348710。有限元模型見圖8。

6.2強度、模態評定

底架所用材料及其性能見表2。

表2　底架材料性能參數

各計算工況下，車體各部件的最大Von- Mises應力均不得大于該部件所用材料的屈服強度。

模態分析要求底架振動頻率偏離其他附屬設備自振頻率，防止產生共振。

6.3計算工況

根據要求，從以下工況校核底架靜強度：

（1）垂直載荷工況；（2）縱向壓縮、拉伸工況；（3）整體起吊工況；（4）救援工況；（5）雙機牽引工況。并按照空車和整備兩種狀態對底架進行模態分析。

6.4結果分析

通過分析，底架靜強度結果見表3。

表3　底架的最大Von. Mises應力發生部位（MPa）

底架一階垂向彎曲振型云圖見圖10。

經分析，靜強度工況下，底架剛度符合要求，各部件最大應力均小于所用材料屈服極限；結合對比相似車型，底架模態振型合理，能夠有效避免與車輛其他設備產生共振。

7　總結

緬甸機車是一種適用于米軌的內燃型碳鋼機車，具有車身小，載重及牽引載荷大等特點，采用底架承載；保證底架強度、剛度可靠，具有較大的設計難度。通過采用Catia軟件建立底架3D模型，結合Ansys有限元分析，設計并校核了設計底架具有良好的強度、剛度，能夠滿足客戶使用要求。目前，機車已順利通過首車試驗，且首批3輛已完成生產并交付用戶。

參考文獻：

[1]大連交通大學.出口緬甸機車底架靜強度、靜剛度報告[R].2015.

[2]嚴雋耄，傅茂海.車輛工程（第三版）[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

作者簡介：林紅（1981-），女，山東煙臺人，碩士，工程師，研究方向：機客車車體結構設計。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.256