出口印度調(diào)車機(jī)車底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

付 瑜 楊 帆 康如心

（中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連116021）

0 引言

出口印度調(diào)車機(jī)車主傳動采用交—直流電傳動；機(jī)車電氣控制采用車載微機(jī)；機(jī)車動力裝置為6240ZJD型柴油機(jī)，最大運(yùn)用功率為1 000 kW；機(jī)車軸式為B0-B0，軌距1 676 mm。

機(jī)車的車體為外廊式底架承載單司機(jī)室結(jié)構(gòu)，主要由司機(jī)室、各機(jī)械間、底架、排障器和牽引緩沖裝置等組成。其中底架作為機(jī)車車體的主要承載結(jié)構(gòu)，我們對應(yīng)機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行條件，對其進(jìn)行了科學(xué)的設(shè)計(jì)和計(jì)算分析。

1 底架設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)

1.1 主要參數(shù)

底架主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 主要參數(shù)

1.2 底架基本結(jié)構(gòu)

底架主要承擔(dān)機(jī)車上部設(shè)備的垂直載荷及機(jī)車牽引和制動所產(chǎn)成的縱向牽引力和壓縮力，其由中梁裝配、端部裝配、柴油機(jī)座梁裝配、牽引橫梁裝配、橫梁裝配、前后風(fēng)道裝配、底架蓋板及底架附件等組成。底架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.1 端部裝配

端部裝配主要采用板式焊接結(jié)構(gòu)，由中部牽引梁裝配、救援吊座、上下蓋板、端板、加強(qiáng)圍板等組成，牽引梁裝配內(nèi)有緩沖座，用于安裝車鉤。端部左右各設(shè)有上下車的側(cè)梯，并在其側(cè)板上加裝了走臺燈，避免光線昏暗時走空。

1.2.2 中梁裝配

圖1 底架結(jié)構(gòu)

機(jī)車垂直載荷、縱向牽引力及壓縮力主要作用在兩根中梁上。中梁裝配采用箱式焊接結(jié)構(gòu)，由上下蓋板和左右腹板組成，腔內(nèi)暫定每隔1 m焊有加強(qiáng)板；根據(jù)機(jī)車結(jié)構(gòu)需要及強(qiáng)度計(jì)算，中梁在柴油機(jī)下方設(shè)計(jì)成魚腹結(jié)構(gòu)，并調(diào)整腔內(nèi)的加強(qiáng)板間隔，在強(qiáng)度薄弱處加焊加強(qiáng)板。

1.2.3 柴油機(jī)座梁裝配

柴油機(jī)座梁裝配采用凹形焊接結(jié)構(gòu)，由兩根柴油機(jī)座梁、連接縱梁、主發(fā)電機(jī)安裝座、腹板等組成，并在兩端低點(diǎn)處加設(shè)排污槽及濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為保證主發(fā)電機(jī)的進(jìn)風(fēng)量，在腹板處加開長方孔作為主要進(jìn)風(fēng)口。

1.2.4 牽引橫梁裝配

根據(jù)軸式B0-B0機(jī)車特點(diǎn)，底架前后在距中心線4 300 mm處各設(shè)置一處牽引橫梁。牽引橫梁采用箱型焊接結(jié)構(gòu)，裝有牽引銷座板，其下端與牽引銷連接，通過牽引銷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架與車體的連接，從而傳遞機(jī)車縱向牽引力和制動力。

1.2.5 橫梁裝配

底架上在距離前后牽引梁裝配1 830 mm處各設(shè)有一個橫梁裝配，與中梁、前后端部的牽引梁組焊在一起，承擔(dān)部分由端部牽引梁傳來的縱向載荷；并且承擔(dān)司機(jī)室和輔助間設(shè)備產(chǎn)生的垂向載荷；加強(qiáng)底架總體強(qiáng)度。

1.2.6 前后風(fēng)道裝配

在底架上下蓋板之間設(shè)置了前后風(fēng)道，作為轉(zhuǎn)向架4臺牽引電機(jī)冷卻通風(fēng)的通道。由于底架的空間有限，前后風(fēng)道不可避免地出現(xiàn)了多處彎曲、扭轉(zhuǎn)和截面變化。通過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，使風(fēng)道平緩或以大半徑圓弧過渡，從而減小了冷空氣在流動過程中受到的干擾，避免了壓力損失過大，提高了冷卻效率。

1.2.7 其他裝配

除了以上介紹的裝配，底架結(jié)構(gòu)另設(shè)置了邊梁、蓋板及附件裝配。其中，邊梁裝配由壓型槽鋼和筋板組成，與中梁裝配組成框架，加強(qiáng)了底架剛性，并在上方安裝了防滑走臺板。底架蓋板同時作為外走廊地板和設(shè)備安裝的基礎(chǔ)，在蓋板受力和振動較大部位加焊加強(qiáng)梁，提高底架整體剛性。在底架的相應(yīng)位置設(shè)置了各種吊座、安裝架、排污槽、減震器等設(shè)施，為機(jī)車其他部件提供輔助功能。

2 底架強(qiáng)度和剛度計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

為了精細(xì)校核底架的強(qiáng)度，將底架上所有的梁、板都按殼單元劃分網(wǎng)格進(jìn)行離散，因此計(jì)算模型是一個空間薄殼單元。所劃殼單元的邊長約為50 mm。整個計(jì)算模型中共劃分85 070節(jié)點(diǎn)，87 204個殼單元。

2.2 計(jì)算工況與載荷

2.2.1 垂直載荷工況

作用載荷主要包括柴油機(jī)、燃油箱、電氣設(shè)備、蓄電池、制動裝置、冷卻裝置等車上設(shè)備重量，車體自重以及各管、線等分布載荷。約束點(diǎn)為4個旁承座。

為考慮機(jī)車運(yùn)行時所產(chǎn)生的振動對強(qiáng)度的影響，所有垂直載荷均需乘動載系數(shù)kd，取kd=1.3。

2.2.2 壓縮工況

作用載荷：（1）相向作用于底架兩端牽引梁內(nèi)從板座處的1 470 kN縱向壓縮力；（2）垂直載荷工況的全部垂直載荷。

全部垂直載荷需乘動載系數(shù)kd，取kd=1.3；約束點(diǎn)為4個旁承座。

2.2.3 拉伸工況

作用載荷：（1）計(jì)算載荷為作用于底架兩端牽引梁外從板座處的、相互拉伸的1 177 kN縱向拉伸力；（2）垂直載荷工況的全部垂直載荷。

全部垂直載荷需乘動載系數(shù)kd，取kd=1.3；約束點(diǎn)為4個旁承座。

2.2.4 牽引工況

作用載荷：（1）向前分別作用于底架前、后牽引橫梁下部牽引銷上的1/2啟動牽引力P。機(jī)車啟動牽引力為315 kN，P=152.5 kN；牽引力作用點(diǎn)距軌面423 mm。（2）向后作用于底架后牽引梁外從板座上的被牽引列車反作用力315 kN。（3）前后橫向減震器分別作用于其相應(yīng)的座上的7.85 kN橫向力。（4）垂直載荷工況的全部垂直載荷。

全部垂直載荷需乘動載系數(shù)kd，取kd=1.3；約束點(diǎn)為4個旁承座。

2.2.5 救援工況

作用載荷為垂直載荷工況的全部垂直載荷和脫軌的后轉(zhuǎn)向架重量。

約束點(diǎn)共4個：前轉(zhuǎn)向架處約束兩個旁承座下的橡膠堆下平面，車體后部的約束移到底架后端部的兩個救援座處。2.2.6 機(jī)車整體起吊工況

作用載荷為垂直載荷工況中的全部垂直載荷和兩個轉(zhuǎn)向架的總重量；約束點(diǎn)為4個吊座。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 垂直載荷工況

垂直載荷工況下底架的最大下?lián)袭a(chǎn)生在其中部，其值為Wmax=-4.71 mm；垂直載荷工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在中梁與牽引梁腹板相交的應(yīng)力集中處，其值為σmax=137.0 MPa。

2.3.2 壓縮工況

壓縮工況下底架的最大下?lián)袭a(chǎn)生在端部，其值為Wmax=-21.41 mm，底架中部的下?lián)蠟?3.1 mm；壓縮工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在牽引梁尾部，靠近與橫梁相交的應(yīng)力集中處，其值為σmax=328.1 MPa。

2.3.3 拉伸工況

拉伸工況下底架的最大下?lián)袭a(chǎn)生在底架中部，其值為Wmax=-11.65 mm，底架端部的最大上撓為W=23.28 mm；拉伸工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在牽引梁尾部，靠近與橫梁相交的應(yīng)力集中處，其值為σmax=266.1 MPa。

2.3.4 牽引工況

牽引工況下底架的最大下?lián)袭a(chǎn)生在底架中部，其值為Wmax=-7.18 mm，牽引工況下底架的最大上撓產(chǎn)生在底架端部，其值為W=8.975 mm；牽引工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在牽引橫梁中電氣走線的矩形孔處，其值為σmax=209.1 MPa。

2.3.5 救援工況

救援工況下底架的最大下?lián)袭a(chǎn)生在靠近Ⅰ端中梁的魚腹處，其值為Wmax=-22.37 mm；救援工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在Ⅰ端中梁魚腹過渡開始部位，其值為σmax=274.7 MPa。

2.3.6 機(jī)車整體起吊工況

整體起吊工況下底架的最大下?lián)袭a(chǎn)生在柴油機(jī)座梁中部，其值為Wmax=-4.16 mm，底架中梁中部的最大下?lián)蠟閃=-3.23 mm；整體起吊工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在底架邊梁起吊座的吊筒后平面與縱向肋板相連處，其值為σmax=129.4MPa。

2.4 計(jì)算校核

2.4.1 底架剛度校核

車體剛度判據(jù)為：垂直載荷工況下的底架中梁中部最大下?lián)吓c轉(zhuǎn)向架中心距的比值小于1/1 500。對出口印度調(diào)車機(jī)車車體而言，這個比值為4.71/8 600。因此，底架剛度滿足使用要求。

2.4.2 底架強(qiáng)度校核

底架上所有梁的材質(zhì)均為Q345E，其屈服點(diǎn)為345 MPa。因此，對垂直載荷工況和牽引工況，許用應(yīng)力為[σ]=215.6 MPa；對其他工況，許用應(yīng)力為[σ]=345 MPa。底架蓋板材質(zhì)為Q235，其屈服點(diǎn)為235 MPa。對垂直載荷工況和牽引工況，許用應(yīng)力為[σ]=146.9 MPa；對其他工況，許用應(yīng)力為[σ]=235 MPa。

由計(jì)算結(jié)果可知，垂直載荷工況最大應(yīng)力為σmax=137.0MPa，牽引工況最大應(yīng)力為σmax=209.1 MPa，壓縮工況最大應(yīng)力為σmax=328.1 MPa，拉伸工況最大應(yīng)力為σmax=266.1 MPa，救援工況最大應(yīng)力為σmax=274.7 MPa，整體起吊工況最大應(yīng)力為σmax=129.4 MPa，6個工況最大應(yīng)力產(chǎn)生部位的材質(zhì)均為Q345E，因而各最大應(yīng)力均小于該工況的許用應(yīng)力；各工況底架蓋板的最大應(yīng)力均不高，都低于相應(yīng)的許用應(yīng)力。因此，底架強(qiáng)度滿足使用要求。

3 結(jié)語

出口印度調(diào)車機(jī)車是我公司首次出口到印度的外走廊、交—直流電傳動內(nèi)燃機(jī)車。車體結(jié)構(gòu)在性能穩(wěn)定的GKD1A型機(jī)車的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化性和針對性設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)和計(jì)算分析，證實(shí)了機(jī)車在運(yùn)行時鋼結(jié)構(gòu)的可靠性，滿足了客戶的使用要求。

[1]繆炳榮，肖守訥.機(jī)車車體結(jié)構(gòu)模態(tài)的有限元分析[J].機(jī)械與電子，2002（5）：58-60.

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