出口印度调车机车底架结构的设计

付 瑜 杨 帆 康如心

（中车大连机车车辆有限公司，辽宁大连116021）

0 引言

出口印度调车机车主传动采用交—直流电传动；机车电气控制采用车载微机；机车动力装置为6240ZJD型柴油机，最大运用功率为1 000 kW；机车轴式为B0-B0，轨距1 676 mm。

机车的车体为外廊式底架承载单司机室结构，主要由司机室、各机械间、底架、排障器和牵引缓冲装置等组成。其中底架作为机车车体的主要承载结构，我们对应机车的实际运行条件，对其进行了科学的设计和计算分析。

1 底架设计参数与结构

1.1 主要参数

底架主要设计参数如表1所示。

表1 主要参数

1.2 底架基本结构

底架主要承担机车上部设备的垂直载荷及机车牵引和制动所产成的纵向牵引力和压缩力，其由中梁装配、端部装配、柴油机座梁装配、牵引横梁装配、横梁装配、前后风道装配、底架盖板及底架附件等组成。底架结构如图1所示。

1.2.1 端部装配

端部装配主要采用板式焊接结构，由中部牵引梁装配、救援吊座、上下盖板、端板、加强围板等组成，牵引梁装配内有缓冲座，用于安装车钩。端部左右各设有上下车的侧梯，并在其侧板上加装了走台灯，避免光线昏暗时走空。

1.2.2 中梁装配

图1 底架结构

机车垂直载荷、纵向牵引力及压缩力主要作用在两根中梁上。中梁装配采用箱式焊接结构，由上下盖板和左右腹板组成，腔内暂定每隔1 m焊有加强板；根据机车结构需要及强度计算，中梁在柴油机下方设计成鱼腹结构，并调整腔内的加强板间隔，在强度薄弱处加焊加强板。

1.2.3 柴油机座梁装配

柴油机座梁装配采用凹形焊接结构，由两根柴油机座梁、连接纵梁、主发电机安装座、腹板等组成，并在两端低点处加设排污槽及滤网结构。为保证主发电机的进风量，在腹板处加开长方孔作为主要进风口。

1.2.4 牵引横梁装配

根据轴式B0-B0机车特点，底架前后在距中心线4 300 mm处各设置一处牵引横梁。牵引横梁采用箱型焊接结构，装有牵引销座板，其下端与牵引销连接，通过牵引销实现转向架与车体的连接，从而传递机车纵向牵引力和制动力。

1.2.5 横梁装配

底架上在距离前后牵引梁装配1 830 mm处各设有一个横梁装配，与中梁、前后端部的牵引梁组焊在一起，承担部分由端部牵引梁传来的纵向载荷；并且承担司机室和辅助间设备产生的垂向载荷；加强底架总体强度。

1.2.6 前后风道装配

在底架上下盖板之间设置了前后风道，作为转向架4台牵引电机冷却通风的通道。由于底架的空间有限，前后风道不可避免地出现了多处弯曲、扭转和截面变化。通过多次优化设计，使风道平缓或以大半径圆弧过渡，从而减小了冷空气在流动过程中受到的干扰，避免了压力损失过大，提高了冷却效率。

1.2.7 其他装配

除了以上介绍的装配，底架结构另设置了边梁、盖板及附件装配。其中，边梁装配由压型槽钢和筋板组成，与中梁装配组成框架，加强了底架刚性，并在上方安装了防滑走台板。底架盖板同时作为外走廊地板和设备安装的基础，在盖板受力和振动较大部位加焊加强梁，提高底架整体刚性。在底架的相应位置设置了各种吊座、安装架、排污槽、减震器等设施，为机车其他部件提供辅助功能。

2 底架强度和刚度计算

2.1 计算模型

为了精细校核底架的强度，将底架上所有的梁、板都按壳单元划分网格进行离散，因此计算模型是一个空间薄壳单元。所划壳单元的边长约为50 mm。整个计算模型中共划分85 070节点，87 204个壳单元。

2.2 计算工况与载荷

2.2.1 垂直载荷工况

作用载荷主要包括柴油机、燃油箱、电气设备、蓄电池、制动装置、冷却装置等车上设备重量，车体自重以及各管、线等分布载荷。约束点为4个旁承座。

为考虑机车运行时所产生的振动对强度的影响，所有垂直载荷均需乘动载系数kd，取kd=1.3。

2.2.2 压缩工况

作用载荷：（1）相向作用于底架两端牵引梁内从板座处的1 470 kN纵向压缩力；（2）垂直载荷工况的全部垂直载荷。

全部垂直载荷需乘动载系数kd，取kd=1.3；约束点为4个旁承座。

2.2.3 拉伸工况

作用载荷：（1）计算载荷为作用于底架两端牵引梁外从板座处的、相互拉伸的1 177 kN纵向拉伸力；（2）垂直载荷工况的全部垂直载荷。

全部垂直载荷需乘动载系数kd，取kd=1.3；约束点为4个旁承座。

2.2.4 牵引工况

作用载荷：（1）向前分别作用于底架前、后牵引横梁下部牵引销上的1/2启动牵引力P。机车启动牵引力为315 kN，P=152.5 kN；牵引力作用点距轨面423 mm。（2）向后作用于底架后牵引梁外从板座上的被牵引列车反作用力315 kN。（3）前后横向减震器分别作用于其相应的座上的7.85 kN横向力。（4）垂直载荷工况的全部垂直载荷。

全部垂直载荷需乘动载系数kd，取kd=1.3；约束点为4个旁承座。

2.2.5 救援工况

作用载荷为垂直载荷工况的全部垂直载荷和脱轨的后转向架重量。

约束点共4个：前转向架处约束两个旁承座下的橡胶堆下平面，车体后部的约束移到底架后端部的两个救援座处。2.2.6 机车整体起吊工况

作用载荷为垂直载荷工况中的全部垂直载荷和两个转向架的总重量；约束点为4个吊座。

2.3 计算结果

2.3.1 垂直载荷工况

垂直载荷工况下底架的最大下挠产生在其中部，其值为Wmax=-4.71 mm；垂直载荷工况下底架的最大应力产生在中梁与牵引梁腹板相交的应力集中处，其值为σmax=137.0 MPa。

2.3.2 压缩工况

压缩工况下底架的最大下挠产生在端部，其值为Wmax=-21.41 mm，底架中部的下挠为-3.1 mm；压缩工况下底架的最大应力产生在牵引梁尾部，靠近与横梁相交的应力集中处，其值为σmax=328.1 MPa。

2.3.3 拉伸工况

拉伸工况下底架的最大下挠产生在底架中部，其值为Wmax=-11.65 mm，底架端部的最大上挠为W=23.28 mm；拉伸工况下底架的最大应力产生在牵引梁尾部，靠近与横梁相交的应力集中处，其值为σmax=266.1 MPa。

2.3.4 牵引工况

牵引工况下底架的最大下挠产生在底架中部，其值为Wmax=-7.18 mm，牵引工况下底架的最大上挠产生在底架端部，其值为W=8.975 mm；牵引工况下底架的最大应力产生在牵引横梁中电气走线的矩形孔处，其值为σmax=209.1 MPa。

2.3.5 救援工况

救援工况下底架的最大下挠产生在靠近Ⅰ端中梁的鱼腹处，其值为Wmax=-22.37 mm；救援工况下底架的最大应力产生在Ⅰ端中梁鱼腹过渡开始部位，其值为σmax=274.7 MPa。

2.3.6 机车整体起吊工况

整体起吊工况下底架的最大下挠产生在柴油机座梁中部，其值为Wmax=-4.16 mm，底架中梁中部的最大下挠为W=-3.23 mm；整体起吊工况下底架的最大应力产生在底架边梁起吊座的吊筒后平面与纵向肋板相连处，其值为σmax=129.4MPa。

2.4 计算校核

2.4.1 底架刚度校核

车体刚度判据为：垂直载荷工况下的底架中梁中部最大下挠与转向架中心距的比值小于1/1 500。对出口印度调车机车车体而言，这个比值为4.71/8 600。因此，底架刚度满足使用要求。

2.4.2 底架强度校核

底架上所有梁的材质均为Q345E，其屈服点为345 MPa。因此，对垂直载荷工况和牵引工况，许用应力为[σ]=215.6 MPa；对其他工况，许用应力为[σ]=345 MPa。底架盖板材质为Q235，其屈服点为235 MPa。对垂直载荷工况和牵引工况，许用应力为[σ]=146.9 MPa；对其他工况，许用应力为[σ]=235 MPa。

由计算结果可知，垂直载荷工况最大应力为σmax=137.0MPa，牵引工况最大应力为σmax=209.1 MPa，压缩工况最大应力为σmax=328.1 MPa，拉伸工况最大应力为σmax=266.1 MPa，救援工况最大应力为σmax=274.7 MPa，整体起吊工况最大应力为σmax=129.4 MPa，6个工况最大应力产生部位的材质均为Q345E，因而各最大应力均小于该工况的许用应力；各工况底架盖板的最大应力均不高，都低于相应的许用应力。因此，底架强度满足使用要求。

3 结语

出口印度调车机车是我公司首次出口到印度的外走廊、交—直流电传动内燃机车。车体结构在性能稳定的GKD1A型机车的基础上进行了优化性和针对性设计，并通过实验的检验和计算分析，证实了机车在运行时钢结构的可靠性，满足了客户的使用要求。

[1]缪炳荣，肖守讷.机车车体结构模态的有限元分析[J].机械与电子，2002（5）：58-60.

[2]丛茂野.东风10DDA型调车机车车体设计与有限元分析[D].大连：大连理工大学，2007.