电机车排障器设计及分析

张春林

摘要：文章基于PRO/E软件对电机车排障器进行了结构设计，分析指出其结构特点，并通过ANSYS软件对其结构的两种受载情况做受力分析计算，证明结构合理性。

关键词：电机车排障器；设计；强度分析

前言

电机车是轨道车辆运输的一种牵引设备，按使用环境分类为露天使用和矿井使用。电机车主要运输矿石、废石、材料、设备和人员等。电机车的使用环境差，积水可能导致看不见轨道，而且运输过程中可能出现矿石、废石等掉落在轨道上。为了保证电机车安全使用，电机车排障器是必须的。

为了满足电机车安全运输要求，电机车排障器的功能和强度需要全方位的设计。排障器是电机车的重要组成部分，固定于电机车的前端墙下部，主要作用是排除轨道内侧的障碍物。电机车排障器能否正常排除障碍物，直接关系到电机车运行的安全性，因此还有必要对电机车排障器结构进行强度分析。

1.电机车排障结构现状

如图1-1所示，现有电机车是将一根厚度为25mm的钢条焊接在电机车前端墙底部，起排开障碍物的作用。

图1-1 现有电机车排障结构示意图

通过分析可以得出这样的排障结构至少有三个缺点：

（1）当电机车撞击较大障碍物时，受冲击的是电机车前端墙，障碍物碎散后极易落在轨道上，对轮对造成冲击，甚至造成电机车脱轨。

（2）障碍物可能顶起电机车前端，进入电机车底部撞坏其他部件。

（3）没有电机车防撞缓冲结构。当出现能使电机车破坏的冲击时，没有防撞缓冲结构，导致电机车破坏程度大或以至于无法维修。

2.电机车排障器设计

电机车排障器设计要求：结构简单、强度弱于车架但能承受规定冲击载荷、安装和维修方便、成本低。

2.1电机车排障器结构

电机车排障器整体三维模型如图2-1所示，电机车排障器通过背后的一排通孔跟车架前端墙用螺栓连接。电机车排障器长度可以调整单元结构数量而改变。

图2-1 电机车排障器

电机车排障器由相同的多节单元结构组成，其单元结构三维模型如图2-2所示，单元结构采用20mm厚的钢板Q345B拼焊而成，也可以用材料ZG340-640铸造而成。多个单元结构通过其侧面的孔用螺栓连接就组成了一个完整的电机车排障器。在电机车排障器单元结构的前端部撞击面上增加加强筋，提高结构强度。

图2-2 电机车排障器单元结构

1-与前端墙的螺栓连接孔、2-单元与单元螺栓连接孔、

3-前端部撞击面、4-结构加强筋板

3.电机车排障器特点

该电机车排障器有以下6个特点：

（1）结构简单，易于生产。该电机车排障器可由20mm厚钢板拼焊组成，前端面设置加强筋，焊接方便没有死角；该电机车排障器也可以铸造成型，模型结構简单。

（2）排障作用好。该电机车排障器能推开电机车前方障碍物，个别障碍物强行挤压进入到电机车排障器底部，也能被电机车排障器底部的凹坑卡住或二次撞击将其压碎，能有效防止障碍物破坏电机车车底的零部件。

（3）对电机车车架起保护作用。电机车排障器设置在电机车的最前端，撞击时首先受冲击的是电机车排障器；电机车排障器的结构强度弱于车架结构强度，当电机车受破坏型冲撞时，电机车排障器被破坏而产生形变，同时吸收冲击动能，延长撞击接触时间，削弱冲击破坏力。

（4）拆装方便。该电机车排障器通过螺栓与车架前端墙连接，可独立拆装，与其他零部件拆装不干涉。

（5）结构模块化。该电机车排障器是由多个结构相同的单元结构组成，不同吨位的电机车有不同的车架和轨道宽度，可调整单元结构数量来匹配电机车，且安装结构无需改变。

（6）维修方便，节约成本。电机车排障器整体受破坏时，将其与车架连接螺栓拆除即可更换电机车排障器；电机车排障器受局部破坏时，将被破坏的单元结构拆除更换即可，节约更换成本。

4.电机车排障器强度计算

电机车排障器强度计算需要考核两个方面：一、电机车运行时正面排障冲击载荷影响；二、根据TB/T 2541-2010《机车车体静强度试验规范》的要求，对电机车排障器中部正下方进行载荷为140kN的静载荷计算。

4.1 正面冲击计算

在电机车运行过程中，根据JB/T 10772-2007《窄轨架线式工况电机车通用技术条件》，电机车车架抗冲击载荷为电机车粘着重量的1.5～2倍。电机车排障器设计中排障器强度小于整体车架强度，因此取电机车排障器设计强度为1.5倍电机车粘着重量载荷。

以最大粘着重量为45T的电机车为计算目标，电机车排障器承受冲击载荷为661.5kN。根据该电机车排障器设计结构，总共7个每个单元结构，且每个单元结构受力情况相同，可取单个单元结构做计算分析，其正面冲击载荷为95kN。

电机车排障器分析情况可见图4-1、图4-2和图4-3。由图4-3电机车排障器单元结构应力云图可知，电机车排障器承受1.5倍电机车粘着载荷冲击时最大应力为322MPa。可以分析得出采用Q345B钢板或ZG340-640制造的电机车排障器能承受的正面冲击载荷略大于电机车粘着重量的1.5倍，刚好能够满足冲撞强度又能保护车架。得出结论：该电机车排障器满足正面冲撞设计要求。

图4-1 电机车排障器单元结构有限元

图4-2 电机车排障器单元结构受力约束情况

图4-3 电机车排障器单元结构应力云图

4.2 静强度计算

根据TB/T 2541-2010《机车车体静强度试验规范》的要求，对电机车排障器中部正下方进行载荷为140kN的静载荷计算。

以45T电机车为计算目标，该电机车排障器由7个完全相同的单元结构组成。

图4-4 电机车排障器有限元网格

图4-5 电机车排障器受力及约束情况

图4-6 电机车排障器应力云图

电机车排障器中间部位正下方承受140kN静载荷分析情况可见图4-4、图4-5和图4-6。由图4-6电机车排障器应力云图可知，电机车排障器在140kN静载荷作用下最大应力为108MPa，远小于电机车排障器结构材料的屈服应力。得出结论：电机车排障器满足设计要求。

5.结论

通过分析和强度计算该电机车排障器结构简单、强度弱于车架但能承受规定冲击载荷、安装和维修方便、成本低，满足设计要求。

6.结束语

本文提出了电机车排障器设计方案，并对其进行了强度分析。理论分析和仿真结果表明该电机车排障器符合当前的设计和应用要求。利用仿真分析来验证设计的合理性在现代设计过程中经常用到，它不仅能够提高设计效率和设计质量，还能降低设计成本，是设计过程中的强大助手。

参考文献：

[1]TB/T 2541-2010，机车车体静强度试验规范[S].

[2]JB/T 10772-2007，窄轨架线式工况电机车通用技术条件[S].

[3]胡坤镜.200km/h客运机车排障器强度分析及设计改进[J].电力机车与城轨车辆，2012（1）：56-58.