重载机车车体的设计原则与结构特点

李立山,杨俊杰

(中国北车集团 大同电力机车有限公司 技术中心,山西大同037038)

进入新世纪,我国经济得到进一步快速发展,但铁路运输作为国民经济“瓶颈”的局面始终没有得到根本改观,铁道部提出了铁路技术装备现代化的战略决策,高速重载已成为今后中国铁路运输的主要发展方向。对于单机承担5 000 t以上重载列车牵引任务的机车来说,有其独特的技术要求和结构特点。

1 重载牵引对机车的特殊要求

大秦线是我国重载牵引的主要干线。根据大秦线多年开行重载列车的经验,用于重载列车牵引的机车至少要满足以下3个方面的要求:

(1)轴重大。机车要满足重载牵引的要求,必须在足够大的机车总功率的前提下,具有足够大的牵引和制动能力。而牵引和制动能力的发挥受到轮轨之间的最大黏着力限制。加大轴重,增加机车的黏着力,是充分发挥机车大功率的有效途径。国际重载协会规定的重载机车的轴重为25 t以上。目前我国大秦线使用的“和谐型”大功率交流传动电力机车的轴重为25 t,30 t轴重的机车车辆正在研发过程中。

(2)承担较大的纵向冲击力。重载列车载运总重大、长度长,在制动或调速时,列车中的纵向冲击力很大,对车辆和处于组合列车中部的机车产生很大的冲击力。大秦线“1+1”2万吨组合列车试验中的最大纵向力达到近3 300 kN。因此,重载电力机车必须有足够大的纵向承受能力。

(3)承受纵向冲击的频繁变化。重载列在运行过程中由于受线路状况、列车调速、制动等的影响,列车受纵向冲击的大小幅度和方向均在不断的变化中,机车车辆所承受的纵向冲击力也在不断变化。因此,重载机车结构应具有足够的抗疲劳特性。

2 重载机车车体的设计原则

车体是机车纵向受力的主要传力部件。重载牵引对电力机车的以上特殊要求,基本上是通过机车车体的结构和强度的设计来实现的。因此,在设计重载机车车体时应服从基本的设计原则,考虑多方面的因素,从车体结构、材料选用、设备紧固、焊接可靠性及抗疲劳特性等来满足机车的安全运行要求。重载机车车体设计应符合以下的原则:

(1)重载机车车体应满足纵向压缩3 000 kN和拉伸2 500 kN的载荷要求。重载机车的技术规范要求机车车体能够满足在如此大的载荷下,车体应能够不发生永久变形。因此,车体承载结构在设计时应采用由底架、司机室(或后端墙)、侧墙等组成的框架式整体结构。GB3317-82或UIC566《标准》规定车体的纵向压缩载荷为2 000 kN和拉伸载荷为1 500 kN,这已经不能够满足大秦线2万t组合列车的牵引需求。

(2)重载机车车体应采用高强度耐低温的材料。由于机车在运行过程中,受路况、环境温度、交变载荷的影响,车体各部分承受的应力变化不同,因此,设计时应选用有较高的屈服强度和耐低温的材料来满足其运行要求。

(3)应对重载机车车体进行疲劳强度校核。由于重载机车车体的工况较为复杂,载荷较大,而且在运行过程中载荷变化频繁,对机车车体应满足这种交变应力的需求,因此,在设计时车体必须要有足够的疲劳强度,保证在任何循环载荷下的安全性。

(4)设备紧固件满足强度要求。对于重载机车来说,由于纵向冲击力大,而且冲击力变化频繁,车内设备的连接螺栓承受的载荷相应要大,载荷变化也频繁,因此,为保证各个设备的连接螺栓不滑移、不断裂,设计时应基于有限元强度和刚度计算结果对设备紧固件强度等指标进行详细计算。

(5)车体的焊缝必须满足相关的标准或规范。重载机车车体各部件的焊缝应根据其重要性、载荷特性、焊缝形式、工作环境及应力状态等情况选用不同等级的焊缝。对于承受压缩载荷和拉伸载荷较大的焊缝,设计时应选用较高级别。

(6)重载机车需要大轴重,所以车体钢结构的梁件可做得比较粗笨,板件的厚度也可以很大。但是,为了节约成本也可以在满足强度和刚度的前提下,通过加压铁的办法,增加机车的簧上质量,以增加轴重。HXD2系列机车就是这方面的最好例子。

(7)对于重载机车来说,由于运行速度不高,车体钢结构不需要流线型外形,可以采用棱角分明、简洁明快的结构,以简化工艺,降低制造成本。为保持外形美观,可采用容易成形和成本较低的玻璃钢件来进行装饰。

3 重载机车车体的结构特点及实现形式

目前,国内生产的 HXD1、HXD2、HXD3型机车均为重载机车,其车体结构和载荷要求基本相同,下面就以大同电力机车有限责任公司新开发的HXD2B型电力机车车体为例,简要说明重载机车车体的结构特点。

3.1 车体承载结构

HXD2B机车车体采用整体框架式承载结构,车体结构以横向中心线对称布置,主要由底架、侧墙、司机室等组成,车体承载结构总重约为29 t,见图1所示。

3.1.1 司机室钢结构

司机室承载结构由前墙、左右侧墙及顶部结构4个模块组焊而成。司机室前墙上部向后倾斜30°,由4根封闭的梁柱组成前窗窗口,下部前端板为U型厚钢板。左右侧墙顶部上弦梁为箱形结构,与侧墙上弦梁截面一致,下部为桁架式结构。司机室顶部角梁为半圆弧曲面圆滑过渡,从而减小了应力集中,保证了机车承受纵向压缩或拉伸时力流在整个车体内平稳传递。司机室钢结构见图2所示。

3.1.2 底架

底架是整个车体的承载基础,它承受车体本身的质量和所有车内设备的质量,同时还传递机车的牵引力和制动力。底架主要由端部牵引梁、牵引横梁、枕梁、侧梁、沙箱梁等组成的框架式结构,见图3。

图1 车体承载结构

图2 司机室钢结构

图3 底架

端部牵引梁为整体的L形箱形体结构,下部为车钩箱,用于安装车钩和缓冲装置,牵引梁两侧设有机车救援用吊销孔。

牵引横梁由上盖板、立板及压形钢板组成箱形结构,其两端有二系橡胶堆安装口与机车转向架相连接。牵引横梁中部安装有牵引座。因此,牵引横梁起传递牵引力的作用。

枕梁结构与牵引横梁基本相同,但宽度尺寸较小。牵引横梁与枕梁构成一个整体的模块,用来保证与转向架的连接。

侧梁由两块L形压型钢板对焊成封闭箱体,内部沿纵向分布有隔板。横向减振器座、横向止挡、整车起吊装置及架车垫板安装在两端侧梁上,变压器座以嵌入式的方法安装在中间侧梁上,在侧梁侧面设置了用于机车整体起吊的吊销孔和沙箱注沙孔。为增加车体的轴重,在底架上设有配重块。

3.1.3 侧墙

侧墙主要由侧墙蒙皮和上弦梁及压形槽钢立柱组焊构成。蒙皮采用了波纹的形式,增强了车体的承载能力。上弦梁由压型钢板组成箱体结构,内部焊有隔板,在侧构上开设有牵引电机通风口。在右侧墙后部还开有专供设备维修使用的维修门舱口。见图4所示。

图4 右侧墙

3.2 车体材料

HXD2B车体主要采用了S275J2G4、S355J2G4两种质量等级较高的耐低温性能的可焊低合金结构钢,这两种材料在-40℃条件下冲击功不小于27J。

3.3 车体焊缝等级要求

HXD2B车体的焊接结构件的产品图纸上均标明了焊缝质量等级、缺陷验收等级和检验等级。车体骨架焊缝执行焊缝质量等级为C2级;车体焊接支架焊缝执行焊缝质量等级为D级;其他螺栓配件焊缝执行焊缝质量等级为D级。

3.4 车体静强度与模态计算

采用ANSYS11.0通用分析软件,建立车体承载结构有限元模型。单元总数311 659,节点总数302 021。图5为压缩工况下的应力云图。

图5 压缩工况的应力云图

在压缩工况下的最大应力为323 MPa,位于司机室入口门后端;在拉伸工况下最大的应力为259 MPa,集中于右侧入口门上方的横梁上;在抬车工况下的最大应力为282 MPa,位于两起吊点之间。在车体—转向架连接工况下为343 MPa,位于牵引横梁内钢板上。车体所有工况下各部位的应力均在许用应力之内,满足设计要求。由计算得到车体一阶弯曲振动的自振频率为14.1 Hz。

3.5 车体疲劳强度计算

根据材料的机械性能,绘制了相应的Goodman图(图6),用来进行疲劳强度的校核。

图6 S355J2G4的 Goodman疲劳极限图

计算得到垂向动载荷工况下的最大应力为131 MPa,位于维修门左下圆角处;扭转工况下的最大应力为63 MPa,也位于维修门左下圆角处;横向减振器座最大应力为48 MPa。

3.6 设备紧固件计算

基于有限元分析结果,各个设备紧固件位置处的体积块节点与车体上的对应节点耦合来连接传力,计算得到紧固件节点的应力后,转换为相应的力与标准中的紧固件许用应力比较来判断是否满足要求。所有设备承受由±3g纵向加速度、±1g横向加速度和(1±2g)垂向加速度产生的外力而不产生滑动,承受由±5g加速度产生的外力,紧固件不断裂。

HXD2B车体承载结构在中国铁道科学研究院进行了一系列的型式试验,均满足总体技术规范的要求,表明HXD2B车体设计通过了试验验证。

4 结论

通过以上分析,得出如下结论:

(1)列车重载牵引对机车提出的特殊要求,包括大轴重、承受频繁变化较大的纵向冲击等;

(2)重载机车车体的设计原则应体现在下列几方面:承担纵向3 000 kN压缩载荷和2 500 kN拉伸载荷,采用高强度耐低温材料,通过加压铁增加机车轴重,以降低产品成本、通过对关键承载部位及焊缝的疲劳强度校核,提高车体的抗冲击韧性、基于有限元法对车内设备紧固件强度校核,增强车内设备安装的可靠性;

(3)重载机车车体的外形结构设计可以工艺制造简单为原则,通过易成型材料来实现车体外形的美观性。

[1] 杨俊杰.“1+1”两万吨组合列车模式下机车钩缓装置的承载特性与结构参数优化研究[D].北京:北京交通大学博士学位论文.2010.

[2] 郭乃祥.杨俊杰.HXD2型电力机车车体的强度计算与试验研究[J].机械管理开发,2008,23(3):3-6.

[3] Y.DAROU B061030313-A0.Technical Specification Welded Assemblies[S].Belfort in France:ALSTOM 2009.

[4] M.DELERIS B061023671-E0.Structural Steel Technical Specification[S].Belfort in France:ALSTOM 2009.

[5] M.DELERIS.Static Validation of the Locomotive Body Structure Technical Specification[R].Belfort in France:ALSTOM 2005.

[6] J.L LEHMANN.Synthesis Static Structural Strength Test on Body Frame of HXD2B Locomotive[R].Belfort in France:ALSTOM 2009.