電力機車車體承載特性分析

黃學(xué)君

（株洲電力機車有限公司 技術(shù)中心，湖南 株洲412001）

1 引 言

車體是電力機車的重要傳力結(jié)構(gòu)，機車正常運行時，車體是牽引力和制動力從轉(zhuǎn)向架傳遞給車輛的必經(jīng)環(huán)節(jié)。車體是機車二系懸掛系統(tǒng)以上各種設(shè)備賴以安裝集成的載體，需承受二系懸掛系統(tǒng)以上全部設(shè)備的重量及由全部設(shè)備產(chǎn)生的各種動載荷。車體是司乘人員的工作場所，需為司乘人員提供安全舒適的工作環(huán)境。隨著電力機車向高速重載方向發(fā)展，對電力機車車體的承載能力要求越來越高，因此有必要對電力機車車體的承載特性進行分析，以便在設(shè)計車體承載結(jié)構(gòu)時做到有的放矢，通過提高關(guān)鍵承載部件的承載能力來提高車體的整體承載能力，設(shè)計出滿足要求的合理結(jié)構(gòu)。

2 車體設(shè)計載荷

根據(jù)文獻［1］，電力機車車體需承受如下各種工況設(shè)計載荷的作用：作用在車體兩端后從板座上2000kN 的壓縮力，作用在車體兩端前從板座上1000kN 至1500kN 的拉伸力，作用在牽引梁上蓋板上方150mm 處400kN 的壓縮力，作用在司機室前窗底梁處300kN 的壓縮力，作用在車體上1.3 倍車體設(shè)計重量的垂向載荷，帶一個轉(zhuǎn)向架的車體一端架車和一端起吊，帶兩個轉(zhuǎn)向架的整車架車和整車起吊，設(shè)備在橫向相當(dāng)于1×9.8m/s2慣性力、縱向相當(dāng)于3×9.8m/s2慣性力、垂向相當(dāng)于1.5×9.8m/s2至3×9.8m/s2慣性力對車體的沖擊，作用在牽引座上的牽引力與制動力。

3 車體承載特性

圖1 為電力機車車體，電力機車車體是由底架、司機室、側(cè)墻、端墻、頂蓋等組成的一個長條形的腔體結(jié)構(gòu)，大部分電力機車是帶兩個轉(zhuǎn)向架的，也有極少數(shù)帶三個轉(zhuǎn)向架，車體被支撐在轉(zhuǎn)向架上，相當(dāng)于一根兩端外伸的單跨或兩跨簡支梁。

從相關(guān)標準要求和機車的實際運行情況來看，車體主要承受縱向偏心壓縮力、縱向偏心拉伸力和垂向力作用。根據(jù)車體受力特點和車體形狀及支撐特點，可以用車體橫截面來衡量車體的整體承載能力。

由于頂蓋是由螺栓固定的可拆卸結(jié)構(gòu)，一般認為頂蓋不是車體的主要承載結(jié)構(gòu)，因此去掉頂蓋和頂蓋安裝橫梁，避開設(shè)備安裝座、底架橫梁和側(cè)墻立柱位置，并且為簡化而不計地板和側(cè)墻的孔洞，作出面積最小的車體橫截面，這是車體承載能力最弱的橫截面，也是衡量車體整體承載能力的最佳橫截面。

4 典型載荷分析

4.1 偏心力作用在從板座上

圖2 無中梁車體斷面

這是縱向偏心力作用在車體截面形心下方的情況。圖2 為底架無中間縱梁的車體橫截面，假定在車體兩端車鉤中心線位置施加壓縮力F，由于壓縮力F 的作用點偏離截面形心1078mm，因此壓縮力使車體受壓的同時，還會在縱向鉛錘面內(nèi)對車體產(chǎn)生1078×F 的彎矩。車體 橫 截 面 積 為81095mm2，車體橫截面對水平中心軸的慣性矩Iy為6.7×1010mm4，側(cè)墻上邊緣距中性軸的距離為2040mm，底架下邊緣距中性軸的距離為887mm。疊加截面上由壓縮力和彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力，截面中性軸將上移766mm，這時車體截面中性軸位置如圖3 所示，側(cè)墻上邊緣出現(xiàn)最大拉應(yīng)力2.05F×10-5，底架下邊緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力2.66F×10-5。如果在車體兩端車鉤中心線位置施加拉伸力F，截面中性軸同樣將上移766mm，側(cè)墻上邊緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力2.05F×10-5，底架下邊緣出現(xiàn)最大拉應(yīng)力2.66F×10-5。

圖4 為底架有中間縱梁的車體橫截面，這時車體橫截面積為90804mm2，車體截面對水平中心軸的慣性矩Iy為7.0×1010mm4，側(cè)墻上邊緣距中性軸的距離為2102mm，底架下邊緣距中性軸的距離為825mm，車鉤中心線距離截面形心1016mm。在車體兩端后從板座施加壓縮力F時，截面中性軸將上移675mm，這時車體截面中性軸位置如圖5 所示，側(cè)墻上邊緣出現(xiàn)最大拉應(yīng)力1.95F×10-5，底架下邊緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力2.3F×10-5。如果在車體兩端前從板座施加拉伸力F，截面中性軸同樣將上移675mm，側(cè)墻上邊緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力1.95F×10-5，底架下邊緣出現(xiàn)最大拉應(yīng)力2.3F×10-5。

圖3 偏心力作用時無中梁車體斷面中性軸上移

從計算情況來看，車體兩端車鉤中心線處受偏心力作用時，底架最大應(yīng)力略高于側(cè)墻最大應(yīng)力，底架不但橫截面面積大，而且完全處于應(yīng)力高的區(qū)域，因此底架是車體的主要承載結(jié)構(gòu)。車體橫截面水平中性軸幾乎把側(cè)墻橫截面分為等距離的兩部分，但側(cè)墻截面積較小，因而側(cè)墻實際分擔(dān)的載荷也較小，但側(cè)墻上弦梁位于側(cè)墻的高應(yīng)力區(qū)，而且上弦梁截面在側(cè)墻截面中所占比例較大，因此上弦梁是側(cè)墻的主要承載結(jié)構(gòu)。

司機室位于車體端部，長度較長，在車鉤中心線處作用縱向偏心力時，司機室要參與偏心力的傳遞。根據(jù)側(cè)墻的承載情況，要求司機室頂部有與側(cè)墻上弦梁對接的梁。司機室側(cè)壁門窗孔洞面積大，承載時容易在門窗拐角處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此門窗拐角應(yīng)大圓弧過渡。

后端墻也位于車體端部，但后端墻長度短，且基本位于從板座之外，因此后端墻不直接承受作用在從板座的偏心力引起的縱向拉伸、縱向壓縮和彎曲作用。但從分析車鉤箱的局部受力可以看出，后從板座受壓時后端墻承受垂向拉力，前從板座受拉時后端墻不受力。

圖4 有中梁車體斷面

圖5 偏心力作用時有中梁車體斷面中性軸上移

4.2 壓縮力作用在司機室前窗底梁

對于圖2 所示底架無中間縱梁的車體，壓縮力f 作用在司機室前窗底梁時，壓縮力f 距底架上平面的高度約為1000mm，壓縮力使車體橫截面產(chǎn)生的壓應(yīng)力為1.23f×10-5。附加彎矩使截面產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為0.7f×10-5，最大壓應(yīng)力為1.61f×10-5。疊加截面上由壓縮力和附加彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力，側(cè)墻上弦梁出現(xiàn)最大壓應(yīng)力2.84f×10-5，底架下邊緣出現(xiàn)最小壓應(yīng)力0.53f×10-5。

對于圖4 所示底架有中間縱梁的車體，壓縮力f 作用在司機室前窗底梁時，壓縮力使車體橫截面產(chǎn)生的壓應(yīng)力為1.1f×10-5。附加彎矩使截面產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為0.7f×10-5，最大壓應(yīng)力為1.78f×10-5。疊加截面上由壓縮力和附加彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力，側(cè)墻上弦梁出現(xiàn)最大壓應(yīng)力2.88f×10-5，底架下邊緣出現(xiàn)最小壓應(yīng)力0.4f×10-5。

在司機室前窗底梁施加壓縮力時，車體橫截面處于全壓縮狀態(tài)，最大壓應(yīng)力在側(cè)墻上弦梁，最小壓應(yīng)力在底架下邊緣。由于側(cè)墻上弦梁截面積較大，側(cè)墻上弦梁將承受較大的壓縮力。司機室也處于全壓縮狀態(tài)，由于司機室頂部需向側(cè)墻上弦梁傳遞壓縮力，因此要求司機室頂部有與側(cè)墻上弦梁對接的梁，以便于頂部壓力傳遞流暢。由于門窗孔洞的存在，車體截面發(fā)生突變，容易在司機室門角窗角出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此司機室門角窗角應(yīng)采取大圓弧過渡。

根據(jù)車體截面的應(yīng)力分布情況，后端墻需承受側(cè)墻傳遞過來的縱向壓力，且頂部壓力大，底部壓力小，這些壓力使后端墻產(chǎn)生剪力和彎矩，后端墻與底架接口截面為后端墻中剪力和彎矩最大的截面，后端墻主要通過立柱和墻板來承受彎矩和剪力。

4.3 車體受垂向載荷作用

垂向載荷為車體自重、設(shè)備重力和垂向沖擊載荷。為便于分析車體在垂向載荷作用下的承載特性，假定車體與設(shè)備重量沿車長均勻分布。由于車體是靠枕梁支撐在轉(zhuǎn)向架上，車體可以看成是受均布載荷作用的兩端外伸的簡支梁，圖6 為車體受力圖，圖7 為車體剪力圖，圖8為車體彎矩圖。從剪力圖和彎矩圖可知車體枕梁處剪力和彎矩均較大，車體中部截面彎矩較大。顯然在垂向載荷作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)墻上弦梁。

圖6 車體垂向載荷分布圖

圖7 垂向載荷作用下車體剪力圖

圖8 垂向載荷作用下車體彎矩圖

在垂向載荷作用下車體端部附近截面的剪力和彎矩都很小，位于車體端部的后端墻由于長度較短，因此車體在重力載荷作用時后端墻基本不發(fā)揮承載作用。

司機室也位于車體端部，但司機室長度較長，車體在垂向載荷作用下，司機室靠近車體中部側(cè)參與承載，靠近車體端部側(cè)基本不參與承載。

5 底架承載分析

壓縮力作用在司機室前窗底梁是標準要求車體需承受的設(shè)計載荷，垂向載荷和作用在從板座、牽引座的偏心力不但是標準要求的設(shè)計載荷，而且是車體實際運行中的常見載荷。根據(jù)以上分析，可以看出，底架、側(cè)墻和司機室是機車正常運行和?？繝顟B(tài)下車體中的主要承載結(jié)構(gòu)。

從對車體橫截面的承載特性可以知道，底架邊梁截面大小、邊梁高度、地板厚度，以及底架是否布置中間縱梁等都是影響底架承載的主要因素。

從板座作用偏心力時，對比無中梁和有中梁兩種情況，與無中間縱梁相比，底架有中間縱梁時底架最大應(yīng)力降低約13%，側(cè)墻最大應(yīng)力降低約5%。司機室前窗底梁作用壓縮力時，底架增加中間縱梁時，底架下邊緣的最大應(yīng)力降低了24%，側(cè)墻上邊緣的最大應(yīng)力變化不明顯。車體受垂向載荷作用時，底架增加中間縱梁時底架最大應(yīng)力降低約11%，側(cè)墻最大應(yīng)力變化不明顯。綜合各種典型載荷作用結(jié)果，底架增加中間縱梁時可顯著提高車體的承載能力。底架布置中間縱梁還可以使牽引力和制動力傳遞更順暢。

6 側(cè)墻承載分析

在以上幾種典型載荷作用下，側(cè)墻上弦梁是側(cè)墻中應(yīng)力最大的部位，而且上弦梁截面面積在側(cè)墻中所占比例較大，因此上弦梁是側(cè)墻的主要承載結(jié)構(gòu)。為了說明側(cè)墻上弦梁對整個車體橫截面承載性能的影響，在車鉤中心線作用偏心力，按底架有中間縱梁和無中間縱梁兩種情況來說明，每種情況分別按上弦梁取不同的厚度來分析。分析結(jié)果見表1（表1 中a、b 分別代表車體橫截面上邊緣、下邊緣）。

表1 從板座作用偏心力時車體橫截面最大正應(yīng)力隨側(cè)墻上弦梁板厚變化情況

從表1 中可以看出，上弦梁厚度為6mm 時底架下邊緣應(yīng)力值開始高于側(cè)墻上邊緣應(yīng)力。當(dāng)上弦梁厚度大于6mm 時，底架下邊緣的最大應(yīng)力開始無明顯降低，側(cè)墻上邊緣的應(yīng)力降低幅度也變小，對于該車體橫截面，上弦梁合適的厚度取為6mm，該型機車車體側(cè)墻上弦梁的設(shè)計厚度正是取為6mm。

另外對于在車體兩端前從板座上作用拉伸力、在牽引梁上蓋板上方150mm 處作用400kN 的壓縮力和在司機室前窗底梁作用300kN 的壓縮力等載荷，還需對側(cè)墻進行穩(wěn)定性校核。由于上弦梁分上下兩根，位于上部的上弦梁截面應(yīng)力較大，根據(jù)其截面面積和截面應(yīng)力計算出上部上弦梁所承受的壓力。再計算上部上弦梁的臨界壓力，上部上弦梁的臨界壓力與實際所承受的壓力之比應(yīng)不小于必要的穩(wěn)定安全系數(shù)。

7 結(jié) 語

電力機車車體實際主要承受縱向力和垂向力兩種載荷，根據(jù)車體的受力特點和車體形狀及支撐特點，可以用車體橫斷面軸慣性矩來很好地衡量車體的整體承載能力。增大底架和側(cè)墻上弦梁橫截面面積可以有效地提高車體橫截面軸慣性矩，從而提高車體整體承載能力。

［1］ BS EN 12663-1：2010，鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求［S］.

［2］ TB/T 1335-1996，鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范［S］.