500t公铁牵引车车体钢结构设计

（中车四方车辆有限公司,山东 青岛 266111）

0 引言

公铁牵引车是既能在轨道上作业又能公路快速转场的特种牵引车辆，主要用于轨道车辆的牵引、调车作业，尤其以铁路牵引作为主要任务，故车体钢结构在设计上须满足铁路运营及公路转场正常运行。

车体钢结构作为整车承载部件，除满足牵引、连挂强度的要求外，还为其它系统的设备提供安全可靠的安装空间和安装接口。综合以上因素，设计中通过合理选用材料，分析车辆载荷，规划整体结构，设计满足使用要求的车体钢结构。

1 车体钢结构简介

1.1 主要技术参数

车体钢结构主要技术参数见表1：

表1 车体钢结构主要技术参数

1.2 车体钢结构特点

图1 车体钢结构

图1是车体钢结构示意。车体为全钢焊接，底架中梁承载结构，安装司机室和机器间罩的部位为焊接框架结构。主要由底架钢结构、司机室钢结构、机器间罩、车钩及附属设备组成。机器间罩、车钩、登车脚蹬等结构使用螺栓与底架联结。

1.3 材料选用

厚度t＜3 mm 的钢板采用符合GB/T4171-2008的Q310GNH高强度耐候钢，厚度3 mm≤t＜6 mm的钢板采用符合GB/T4171-2008的Q295GNH高强度耐候钢；厚度t≥6 mm钢板以采用Q235B碳素结构钢，主要的受力点及钢结构支撑点选择型材，材质为Q235B碳素结构钢，均符合GB/T700-2006标准要求。

2 车体钢结构设计

2.1 底架钢结构

底架由端板(厚40 mm)及中梁(厚30 mm)焊接为工字型结构，边梁及辅助横梁、纵梁采用U12槽钢焊接。

底架上平面铺设有花纹地板，两侧和后端设置扶手，两侧司机室门下方及靠近车辆后端部设置登车脚蹬，前后车端设有车钩安装座。

底架需提供车钩安装座、变速箱安装座、发动机安装座、驱动桥安装座等安装接口，并根据各处载荷情况设置补强梁或补强板。

2.2 司机室钢结构

司机室钢结构采用压型钢焊接成框架结构，外侧附蒙皮焊接而成，为整体防寒隔热结构，焊接于底架前端。

2.3 机器间罩

机器间罩由骨架和蒙皮组成，采用压形钢焊接全包覆式结构，前后端进风口采用钢丝编织网；两侧侧门门板设通风百页窗；在顶盖上设水箱加水口和进排气口。机器间罩与底架的联接为可拆卸结构。

2.4 车钩

前、后车钩均为KD-5型车钩，该车钩自带缓冲弹簧，适合轻型工程车辆使用。车钩由螺栓直接安装于底架端板。

3 底架强度计算

考虑到车体钢结构采用底架承载方式，在此仅对底架钢结构的强度进行考核。

3.1 有限元模型

采用Catia软件建立底架3D模型（见图2），并采用大型通用分析及处理软件Hypermesh及Ansys进行有限元分析。

在Hypermesh中对底架进行几何处理和有限元划分，导入大型有限元分析软件ANSYS中进行计算和后处理。采用solid185单元进行网格划分，可以得到2 236 272个实体单元和987 800个节点。

图2 底架钢结构有限元模型

3.2 强度评价标准

表2为底架材料及性能参数：

表2 底架材料及性能参数

所有计算工况中，底架最大Von Mises应力均不得大于底架部件所用材料的屈服强度。

3.3 计算工况

根据GB/T11551-2014《汽车正面碰撞的乘务员保护》[1]，以5 km/h的速度连挂，得出连挂时纵向压缩力为140 kN，施加在车钩上；根据牵引计算得出车辆启动时，车钩纵向牵引力为35 kN，作用于安装螺栓与安装座之间的接触面；依据TB/T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》[2]对底架只进行拉压工况校核。由于公铁车车体钢结构前后端为非对称结构，需区分为前端连挂与后端连挂两种情况，因此计算工况分为以下4种：

工况一：板簧安装座施加垂向、横向约束，车体后端车钩安装面施加纵向约束，车体前端施加140 kN压缩力。

工况二：板簧安装座施加垂向、横向约束，车体前端车钩安装面施加纵向约束，车体后端施加140 kN压缩力。

工况三：销连接板簧安装座施加全约束，另一板簧安装座施加垂向、横向约束，车体前端施加35 kN拉伸力。

工况四：销连接板簧安装座施加全约束，另一板簧安装座施加垂向、横向约束，车体后端施加35 kN拉伸力。

通过计算，得到各工况应力云图。底架最大应力为129 MPa，发生于节点1 699 399处，位于中梁与前端板焊接处，强度安全系数为1.82＞1，满足强度要求。工况一计算结果见图3。

图3 工况一计算结果

4 结论

综合考虑500 t公铁牵引车的运行环境、运用特点，通过合理选材、分析载荷，设计了满足要求的车体钢结构；并通过有限元仿真计算，验证了车体钢结构的强度水平，为同类型产品的设计提供了借鉴。