某型寬軌內(nèi)燃機(jī)車車體設(shè)計開發(fā)

李小遠(yuǎn) 龔和娣 費(fèi)龍仁 王龍 許齊

摘 要： 重點(diǎn)介紹了某型寬軌內(nèi)燃機(jī)車車體的設(shè)計理念;具體介紹了車體的主要結(jié)構(gòu)布置、司機(jī)室和車架的結(jié)構(gòu)形式;總結(jié)了相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 車體;結(jié)構(gòu);理念;車架;仿真分析

某型機(jī)車是中車戚墅堰機(jī)車有限公司為滿足用戶鐵路快速發(fā)展的需求而設(shè)計開發(fā)的新型干線貨運(yùn)寬軌內(nèi)燃機(jī)車。該用戶擁有寬軌、窄軌、標(biāo)軌三種軌距的鐵路線，根據(jù)用戶要求，三種軌距的機(jī)車要在外形、設(shè)備等方面簡統(tǒng)。為了保證該車的設(shè)計質(zhì)量，在方案和技術(shù)設(shè)計階段，對車架強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。通過仿真分析，對設(shè)計方案進(jìn)行評價和不斷修改，使其達(dá)到理想的狀態(tài)。這里僅討論車體設(shè)計開發(fā)過程中的設(shè)計理念及結(jié)構(gòu)、并通過對車架仿真分析，對車架的靜強(qiáng)度進(jìn)行評價。

1車體設(shè)計理念

在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中可靠性放在首位，兼顧成熟、經(jīng)濟(jì)的原則?？紤]機(jī)車可維護(hù)性和可適用性，盡可能滿足用戶使用習(xí)慣。同時考慮機(jī)車外表的工藝性和美觀性，司機(jī)室內(nèi)部布置的合理性、舒適性。在設(shè)計時遵循標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和模塊化的原則，以提高零部件的通用性和互換性。

首先，車體在設(shè)計時以國際標(biāo)準(zhǔn)，如EN12663-1：2010、UIC 651-OR-2002等及用戶的技術(shù)規(guī)范中提到的標(biāo)準(zhǔn)要求為設(shè)計準(zhǔn)則。

其次，在具體設(shè)計中，車體結(jié)構(gòu)要滿足用戶限界要求;適應(yīng)寬軌軌距要求;滿足外走廊單司機(jī)室車架承載方式要求;滿足總體對車體的要求;滿足車體與轉(zhuǎn)向架的支撐方式。在兼顧三種軌距機(jī)車的要求下，采用了系列化的設(shè)計原則。適應(yīng)了柴油機(jī)組、旁承、減振器、車鉤緩沖器、司機(jī)室、牽引電機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口、電氣柜、傳動系統(tǒng)等部件的安裝要求。同時考慮電氣線路、空氣管路在車架上進(jìn)出位置和大小。

遵循模塊化的設(shè)計原則，設(shè)計時考慮各室與車架的聯(lián)接方式，車上各室的聯(lián)接與密封要求，各室排污排水要求等。還應(yīng)注意司機(jī)室的合理舒適性、電氣室的防水密封要求。

設(shè)計的各個階段，多次與用戶進(jìn)行設(shè)計溝通，充分聽取用戶的意見，對用戶的訴求及使用習(xí)慣歸納匯總，在滿足合同與標(biāo)準(zhǔn)的前提下，最大限度滿足用戶使用的要求。

2車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)用戶要求，戚墅堰機(jī)車有限公司為用戶量身打造了一款單司機(jī)室、外走廊、車架承載的寬軌內(nèi)燃機(jī)車。車體作為機(jī)車的主要承載部件， 在機(jī)車運(yùn)行中， 承受著垂向載荷、縱向載荷等， 同時傳遞牽引力和制動力， 所以車體結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

另一方面車體作為機(jī)車大部分機(jī)械、電機(jī)電氣設(shè)備的安裝基礎(chǔ)，除了為車內(nèi)設(shè)備提供足夠的空間， 保證機(jī)車正常運(yùn)轉(zhuǎn)外， 還要為司機(jī)操縱提供良好的工作環(huán)境。

車體結(jié)構(gòu)主要由車架、司機(jī)室、動力室等其他車上各室、車鉤緩沖裝置、排障器、扶手等組成。車架是主要承載部件，車架的結(jié)構(gòu)充分考慮了強(qiáng)度、剛度以滿足機(jī)車的運(yùn)行需求;車體各室采用了模塊化的設(shè)計理念，通過螺栓與車架聯(lián)接，便于機(jī)車的批量生產(chǎn)制造和后期的檢修、維護(hù)。

在車體的兩端，設(shè)有高度可調(diào)的排障器。根據(jù)用戶要求，采用符合AAR-10A輪廓的100型鉤緩裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)車、車輛的連掛。

2.1司機(jī)室結(jié)構(gòu)

機(jī)車采用獨(dú)立模塊的司機(jī)室，與車架采用螺栓連接。在司機(jī)室的設(shè)計過程中，充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求、司機(jī)室的舒適性要求，為機(jī)車司乘人員提供一個安全可靠、舒適的工作環(huán)境。

司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)由前端壁、左右側(cè)壁、后間壁、頂蓋和地板梁組成。司機(jī)室前窗下部與車架上的防撞墻聯(lián)接。司機(jī)室內(nèi)有操縱臺、座椅、頂燈、閱讀燈、風(fēng)扇、前窗、側(cè)窗、窗簾、滅火器、信號箱、空調(diào)、取暖器、地板及司機(jī)室側(cè)門、中門等。司機(jī)室內(nèi)裝采用吸聲海綿+吸聲發(fā)泡+吸聲氈+多孔鋁板+玻璃鋼的組合結(jié)構(gòu)，以滿足用戶提出的噪音要求，司機(jī)室的結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置符合UIC651的要求，也滿足用戶關(guān)于長端視野等的特殊要求。

司機(jī)室內(nèi)設(shè)備的布置、色彩的選取符合人機(jī)工程原理。司機(jī)室內(nèi)非金屬材料滿足無毒、低鹵、阻燃的要求。

2.2車架結(jié)構(gòu)

根據(jù)機(jī)車總體結(jié)構(gòu)，結(jié)合轉(zhuǎn)向架及車上設(shè)備的布置，車架結(jié)構(gòu)如下：

·車架采用雙箱型梁結(jié)構(gòu)承載，考慮到柴油機(jī)、轉(zhuǎn)向架部件的安裝，箱型梁中部采用魚腹結(jié)構(gòu)，增加承載剛度;魚腹梁外側(cè)與轉(zhuǎn)向架連接處采用變截面結(jié)構(gòu)及均化應(yīng)力的異形孔。

·在箱型梁各變截面處采用圓弧過渡，減少應(yīng)力集中;

·箱型梁兩端與車鉤牽引以及防撞、防爬結(jié)構(gòu)間設(shè)置了傳力的連接板，并使各部件有效連接。

·滿足用戶要求的100型鉤緩裝置，設(shè)計相應(yīng)的牽引梁結(jié)構(gòu);牽引力通過連接板傳力至箱型梁。

·司機(jī)室端設(shè)置了滿足標(biāo)準(zhǔn)的防撞墻。防撞墻寬度與司機(jī)室寬度一致，高度延伸至前窗底部。防撞墻焊接在端部梁上，撞擊力通過端部梁、連接板傳遞到箱型梁上，通過箱型梁及整個車架的彈性變形吸收撞擊力。

·在車架兩端部，車架上平面的下方設(shè)置了滿足AAR S-580標(biāo)準(zhǔn)的防爬器。防爬器由數(shù)個防爬條組成，在端部的全寬范圍內(nèi)布置，長度超過車架端部的1/3。

此外，車架結(jié)構(gòu)中還包括牽引銷梁、柴油機(jī)梁等設(shè)備安裝梁、牽引電機(jī)前后風(fēng)道、排污排水設(shè)施等。

3車架強(qiáng)度仿真分析

3.1有限元建模

我們利用有限元分析的方法，驗(yàn)證該車架強(qiáng)度和剛度是否滿足各工況要求。對車體分別進(jìn)行垂直載荷、縱向壓縮、縱向拉伸、整車起吊、扭轉(zhuǎn)載荷等工況的計算。

計算時，為簡化模型，去除了非承載的風(fēng)道部分。網(wǎng)格模型，采用25mm大小、8節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格為主，共劃分了901463個單元，1835295個節(jié)點(diǎn)。坐標(biāo)系選用全局坐標(biāo)系，X、Y、Z分別對應(yīng)于機(jī)車的縱向、橫向、垂向，且X軸方向?yàn)檫\(yùn)動方向，Z軸的正向?yàn)榇怪毕蛏稀?/p>

3.2計算工況及結(jié)論

該車架主要由Q420和Q460通過焊接而成，通過有限元分析，得出各工況最大應(yīng)力：垂直載荷工況，在柴油機(jī)安裝座處為93.9MPa、縱向壓縮工況，在旁承孔處為370.1MPa，、縱向拉伸工況，在旁承孔處為313.8MPa、整車起吊工況，在起吊座處為215.5MPa、扭轉(zhuǎn)載荷工況，在風(fēng)道安裝處為351.1MPa。，車體縱向靜載荷（司機(jī)室安全壓力）工況在防爬器加強(qiáng)筋處為368.7MPa。計算結(jié)果均符合要求。

此外，在垂直載荷工況下，車架撓度為11.5 mm，與轉(zhuǎn)向架中心距的比值為11.5/10750=1.07×10-3，說明車架的剛度足夠。

3.3試驗(yàn)驗(yàn)證

按照試驗(yàn)大綱，完成了該型機(jī)車車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，車體沒有產(chǎn)生彎曲以及任何形式的永久變形，車體應(yīng)力集中趨勢與分析計算結(jié)果相符，所有測點(diǎn)的應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)均大于規(guī)定數(shù)值，表明該車體強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

4設(shè)計體會

目前，本機(jī)車已為用戶提供鐵路貨運(yùn)服務(wù)，因其可靠的質(zhì)量、較大的運(yùn)載能力和優(yōu)越的性能優(yōu)勢得到了用戶的高度評價。

本次機(jī)車車體設(shè)計，有以下體會：

a.全面的設(shè)計輸入很重要。方案設(shè)計中，除了有關(guān)合同、標(biāo)準(zhǔn)等必要的輸入外，與用戶的多次溝通很關(guān)鍵，決定了用戶的滿意度。

b.車體設(shè)計要“顧全大局”，充分考慮工作環(huán)境的符合性、材料選擇的合理性、結(jié)構(gòu)形式的正確性，同時兼顧制造、組裝工藝性、維護(hù)接近性。

c.細(xì)節(jié)決定成敗。如結(jié)構(gòu)中的圓弧過渡、異形孔處理、剖口焊與角焊的組合措施等。

d.使用輔助工具，少走彎路。在方案、技術(shù)設(shè)計階段乃至設(shè)計的整個過程均采用仿真分析的方法，可以直觀了解應(yīng)力與應(yīng)變的情況，避免超應(yīng)力的存在，縮短設(shè)計周期。

e.借鑒經(jīng)驗(yàn)，不斷完善。借鑒公司在其他機(jī)型的成熟技術(shù)，針對該車型的特點(diǎn)不斷完善，提高新造機(jī)車的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] BS EN 12663-1-2010 鐵路應(yīng)用—鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求 第1部分：機(jī)車和客車（及貨車的可選用方法）.

[2] UIC651- 2002， 機(jī)車、動車、動車組和帶司機(jī)室客車的司機(jī)室結(jié)構(gòu).

[3] 龔和娣.某型內(nèi)燃機(jī)車司機(jī)室設(shè)計及舒適性分析[J].軌道交通裝備與技術(shù)，2018/02：18-20.