某型宽轨内燃机车车体设计开发

李小远 龚和娣 费龙仁 王龙 许齐

摘 要： 重点介绍了某型宽轨内燃机车车体的设计理念;具体介绍了车体的主要结构布置、司机室和车架的结构形式;总结了相关的设计经验。

关键词： 车体;结构;理念;车架;仿真分析

某型机车是中车戚墅堰机车有限公司为满足用户铁路快速发展的需求而设计开发的新型干线货运宽轨内燃机车。该用户拥有宽轨、窄轨、标轨三种轨距的铁路线，根据用戶要求，三种轨距的机车要在外形、设备等方面简统。为了保证该车的设计质量，在方案和技术设计阶段，对车架强度进行了仿真分析。通过仿真分析，对设计方案进行评价和不断修改，使其达到理想的状态。这里仅讨论车体设计开发过程中的设计理念及结构、并通过对车架仿真分析，对车架的静强度进行评价。

1车体设计理念

在车体结构设计过程中可靠性放在首位，兼顾成熟、经济的原则。考虑机车可维护性和可适用性，尽可能满足用户使用习惯。同时考虑机车外表的工艺性和美观性，司机室内部布置的合理性、舒适性。在设计时遵循标准化、系列化和模块化的原则，以提高零部件的通用性和互换性。

首先，车体在设计时以国际标准，如EN12663-1：2010、UIC 651-OR-2002等及用户的技术规范中提到的标准要求为设计准则。

其次，在具体设计中，车体结构要满足用户限界要求;适应宽轨轨距要求;满足外走廊单司机室车架承载方式要求;满足总体对车体的要求;满足车体与转向架的支撑方式。在兼顾三种轨距机车的要求下，采用了系列化的设计原则。适应了柴油机组、旁承、减振器、车钩缓冲器、司机室、牵引电机、冷却风机进出风口、电气柜、传动系统等部件的安装要求。同时考虑电气线路、空气管路在车架上进出位置和大小。

遵循模块化的设计原则，设计时考虑各室与车架的联接方式，车上各室的联接与密封要求，各室排污排水要求等。还应注意司机室的合理舒适性、电气室的防水密封要求。

设计的各个阶段，多次与用户进行设计沟通，充分听取用户的意见，对用户的诉求及使用习惯归纳汇总，在满足合同与标准的前提下，最大限度满足用户使用的要求。

2车体结构设计

根据用户要求，戚墅堰机车有限公司为用户量身打造了一款单司机室、外走廊、车架承载的宽轨内燃机车。车体作为机车的主要承载部件， 在机车运行中， 承受着垂向载荷、纵向载荷等， 同时传递牵引力和制动力， 所以车体结构必须具有足够的强度和刚度。

另一方面车体作为机车大部分机械、电机电气设备的安装基础，除了为车内设备提供足够的空间， 保证机车正常运转外， 还要为司机操纵提供良好的工作环境。

车体结构主要由车架、司机室、动力室等其他车上各室、车钩缓冲装置、排障器、扶手等组成。车架是主要承载部件，车架的结构充分考虑了强度、刚度以满足机车的运行需求;车体各室采用了模块化的设计理念，通过螺栓与车架联接，便于机车的批量生产制造和后期的检修、维护。

在车体的两端，设有高度可调的排障器。根据用户要求，采用符合AAR-10A轮廓的100型钩缓装置，实现机车、车辆的连挂。

2.1司机室结构

机车采用独立模块的司机室，与车架采用螺栓连接。在司机室的设计过程中，充分考虑钢结构的强度要求、司机室的舒适性要求，为机车司乘人员提供一个安全可靠、舒适的工作环境。

司机室钢结构由前端壁、左右侧壁、后间壁、顶盖和地板梁组成。司机室前窗下部与车架上的防撞墙联接。司机室内有操纵台、座椅、顶灯、阅读灯、风扇、前窗、侧窗、窗帘、灭火器、信号箱、空调、取暖器、地板及司机室侧门、中门等。司机室内装采用吸声海绵+吸声发泡+吸声毡+多孔铝板+玻璃钢的组合结构，以满足用户提出的噪音要求，司机室的结构及设备布置符合UIC651的要求，也满足用户关于长端视野等的特殊要求。

司机室内设备的布置、色彩的选取符合人机工程原理。司机室内非金属材料满足无毒、低卤、阻燃的要求。

2.2车架结构

根据机车总体结构，结合转向架及车上设备的布置，车架结构如下：

·车架采用双箱型梁结构承载，考虑到柴油机、转向架部件的安装，箱型梁中部采用鱼腹结构，增加承载刚度;鱼腹梁外侧与转向架连接处采用变截面结构及均化应力的异形孔。

·在箱型梁各变截面处采用圆弧过渡，减少应力集中;

·箱型梁两端与车钩牵引以及防撞、防爬结构间设置了传力的连接板，并使各部件有效连接。

·满足用户要求的100型钩缓装置，设计相应的牵引梁结构;牵引力通过连接板传力至箱型梁。

·司机室端设置了满足标准的防撞墙。防撞墙宽度与司机室宽度一致，高度延伸至前窗底部。防撞墙焊接在端部梁上，撞击力通过端部梁、连接板传递到箱型梁上，通过箱型梁及整个车架的弹性变形吸收撞击力。

·在车架两端部，车架上平面的下方设置了满足AAR S-580标准的防爬器。防爬器由数个防爬条组成，在端部的全宽范围内布置，长度超过车架端部的1/3。

此外，车架结构中还包括牵引销梁、柴油机梁等设备安装梁、牵引电机前后风道、排污排水设施等。

3车架强度仿真分析

3.1有限元建模

我们利用有限元分析的方法，验证该车架强度和刚度是否满足各工况要求。对车体分别进行垂直载荷、纵向压缩、纵向拉伸、整车起吊、扭转载荷等工况的计算。

计算时，为简化模型，去除了非承载的风道部分。网格模型，采用25mm大小、8节点四面体网格为主，共划分了901463个单元，1835295个节点。坐标系选用全局坐标系，X、Y、Z分别对应于机车的纵向、横向、垂向，且X轴方向为运动方向，Z轴的正向为垂直向上。

3.2计算工况及结论

该车架主要由Q420和Q460通过焊接而成，通过有限元分析，得出各工况最大应力：垂直载荷工况，在柴油机安装座处为93.9MPa、纵向压缩工况，在旁承孔处为370.1MPa，、纵向拉伸工况，在旁承孔处为313.8MPa、整车起吊工况，在起吊座处为215.5MPa、扭转载荷工况，在风道安装处为351.1MPa。，车体纵向静载荷（司机室安全压力）工况在防爬器加强筋处为368.7MPa。计算结果均符合要求。

此外，在垂直载荷工况下，车架挠度为11.5 mm，与转向架中心距的比值为11.5/10750=1.07×10-3，说明车架的刚度足够。

3.3试验验证

按照试验大纲，完成了该型机车车体的静强度试验。试验结果显示，车体没有产生弯曲以及任何形式的永久变形，车体应力集中趋势与分析计算结果相符，所有测点的应力值均小于材料的许用应力，安全系数均大于规定数值，表明该车体强度满足设计要求。

4设计体会

目前，本机车已为用户提供铁路货运服务，因其可靠的质量、较大的运载能力和优越的性能优势得到了用户的高度评价。

本次机车车体设计，有以下体会：

a.全面的设计输入很重要。方案设计中，除了有关合同、标准等必要的输入外，与用户的多次沟通很关键，决定了用户的满意度。

b.车体设计要“顾全大局”，充分考虑工作环境的符合性、材料选择的合理性、结构形式的正确性，同时兼顾制造、组装工艺性、维护接近性。

c.细节决定成败。如结构中的圆弧过渡、异形孔处理、剖口焊与角焊的组合措施等。

d.使用辅助工具，少走弯路。在方案、技术设计阶段乃至设计的整个过程均采用仿真分析的方法，可以直观了解应力与应变的情况，避免超应力的存在，缩短设计周期。

e.借鉴经验，不断完善。借鉴公司在其他机型的成熟技术，针对该车型的特点不断完善，提高新造机车的可靠性。

参考文献

[1] BS EN 12663-1-2010 铁路应用—铁道车辆车体结构要求 第1部分：机车和客车（及货车的可选用方法）.

[2] UIC651- 2002， 机车、动车、动车组和带司机室客车的司机室结构.

[3] 龚和娣.某型内燃机车司机室设计及舒适性分析[J].轨道交通装备与技术，2018/02：18-20.