ZER2型電力工程車車體設(shè)計(jì)

谷祥帥，賀燏

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

ZER2型電力工程車屬于工程維護(hù)車輛范疇，用于在城市軌道環(huán)境下調(diào)車、牽引及救援用，主要采用內(nèi)燃或蓄電池動(dòng)力。ZER2型電力工程車供電方式為柴油機(jī)加受電弓受流，該車型目前已上海、深圳、廣州等國(guó)內(nèi)外城市廣泛應(yīng)用。

ZER2工程車車體采用雙司機(jī)室外走廊的底架承載結(jié)構(gòu)，車體整體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，車體強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、檢修方便。

1 電力工程車車體主要特征和技術(shù)參數(shù)

1.1 主要特征

因ZER2型電力工程車主要應(yīng)用于城市軌道交通，故電力工程車車體具有以下特征：

（1）車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足EN 12663：2010《鐵路設(shè)施．鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》；車體焊接設(shè)計(jì)滿足《EN 15085:2007鐵路應(yīng)用-鐵路車輛和部件的焊接》等軌道交通領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）因該車型應(yīng)用于城市軌道交通，與鐵路機(jī)車相比較，機(jī)車重量有較大限制。因此，在保證車體強(qiáng)度和剛度的前提下，需對(duì)車體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

（3）車體中部需安裝柴油機(jī)，致使車體上部在兩司機(jī)室之間無(wú)連接，車體焊接結(jié)構(gòu)的橫截面出現(xiàn)突變，車體為底架承載結(jié)構(gòu)，對(duì)底架的強(qiáng)度及剛度要求較高。

（4）為避免共振，增強(qiáng)司乘人員乘車時(shí)的舒適性，車體自振頻率除與轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭及浮沉頻率分離外，還需要與柴油機(jī)的自振頻率隔離。

（5）采用外走廊結(jié)構(gòu)，兩司機(jī)室通過(guò)外走廊相連接，便于運(yùn)行中巡視，為方便設(shè)備及柴油機(jī)檢修作業(yè)，側(cè)墻上布置有可打開(kāi)的側(cè)墻門(mén)。

1.2 車體主要技術(shù)參數(shù)（表1）

2 車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

ZER2型電力工程車車體為雙司機(jī)室外走廊結(jié)構(gòu)，承載方式為底架承載。

表1

2.1 車體強(qiáng)度及剛度設(shè)計(jì)

基于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)環(huán)境，ZER2型電力工程車需具有足夠的強(qiáng)度，故電力工程車車體縱向壓縮載荷為1500kN，拉伸載荷為1000KN，其他載荷條件參照EN12663-1《鐵路應(yīng)用鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求第1部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛》。因該車需采用輕量化設(shè)計(jì)，車體重量約13．5噸，因此，需要合理分配重量及選用材料。

車體主承載結(jié)構(gòu)尤其是車體底架選用Q460E，該材料符合GB/T 1591：2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板》要求，其機(jī)械性能及焊接性能較好，且已在既有電力機(jī)車上得到了應(yīng)用。

底架為車體最主要的承載部件，底架為框架式結(jié)構(gòu)。為增強(qiáng)底架強(qiáng)度及剛度，中央布置有兩行貫通式中梁，與底架邊梁一起構(gòu)成縱向力的主要傳遞路徑，底架邊梁使用大截面結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗壓及抗剪能力。在各主要設(shè)備安裝座下方都設(shè)置有橫梁或縱梁以提高承載能力，各設(shè)備安裝座、安裝梁的設(shè)計(jì)充分考慮抗各向沖擊的能力。對(duì)底架各變截面處采用圓弧過(guò)渡，以使力流平滑過(guò)渡。對(duì)承受動(dòng)載荷的部位重點(diǎn)關(guān)注其疲勞性能，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。

司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)充分考慮司乘人員的安全性及人體工學(xué)，在司機(jī)室前窗上、下沿及司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)底部各布置一圈加強(qiáng)梁，其中，前窗下沿加強(qiáng)梁可承受300kN的壓縮載荷而不發(fā)生塑性變形。在前窗兩側(cè)司機(jī)室角柱區(qū)域設(shè)置防撞柱，以提高司機(jī)室的安全性能。為方便車輛在運(yùn)行過(guò)程中觀察信號(hào)及瞭望，在司機(jī)室前端、左右兩側(cè)都設(shè)有窗戶且具有良好的視野。與鐵路機(jī)車及其他雙司機(jī)室工程車不同的是，ZER2型電力工程車入口門(mén)設(shè)置在司機(jī)室后墻，與走廊連通，方便運(yùn)行過(guò)程中巡視。

設(shè)備間側(cè)墻采用蒙皮和梁焊接為一體的框架式焊接結(jié)構(gòu)。在考慮設(shè)備維修空間的前提下，側(cè)墻上的立柱及橫梁布置充分考慮力的傳遞路線。

2.2 柴油機(jī)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柴油機(jī)重量約為11．2噸，為保證其安裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，將柴油機(jī)直接安裝在底架地板上，底架地板采用10mm鋼板，與左右邊梁及底架各梁對(duì)接，形成一個(gè)箱型結(jié)構(gòu)。

合理分布柴油機(jī)安裝螺栓，將螺栓位置與底架各梁布置相結(jié)合，使各螺栓受力均勻，使柴油機(jī)安裝梁與底架構(gòu)成一個(gè)整體以改善受力狀況。對(duì)柴油機(jī)安裝螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核，保證柴油機(jī)安裝螺栓具有充裕的安全系數(shù)；對(duì)柴油機(jī)安裝座強(qiáng)度進(jìn)行校核，保證柴油機(jī)安裝區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力。

柴油機(jī)本身為一大型箱體結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量與車體底架質(zhì)量相近，為避免二者出現(xiàn)共振，對(duì)柴油機(jī)內(nèi)部各設(shè)備進(jìn)行合理分布；對(duì)柴油機(jī)箱體底部安裝梁及側(cè)壁各梁進(jìn)行剛度校核，通過(guò)模態(tài)分析確定其自振頻率，并與車體頻率相隔離。

2.3 應(yīng)力集中部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)

因柴油機(jī)安裝在II端司機(jī)室與設(shè)備間之間，致使車體上架兩司機(jī)室之間在底架上部沒(méi)有剛性連接，車體上架出現(xiàn)較大的變截面區(qū)域。通過(guò)靜強(qiáng)度計(jì)算發(fā)現(xiàn)，計(jì)算應(yīng)力較大點(diǎn)出現(xiàn)在設(shè)備間側(cè)墻端部的檢修門(mén)門(mén)角處，因此，在檢修門(mén)門(mén)角處增加圓弧過(guò)渡，以避免應(yīng)力集中。

對(duì)其他應(yīng)力較大部位，通過(guò)增加板厚，優(yōu)化結(jié)構(gòu)、使用高強(qiáng)度材料等措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保車體靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度都能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，提高機(jī)車安全性。

3 車體計(jì)算

3.1 車體靜強(qiáng)度計(jì)算

車體靜強(qiáng)度計(jì)算按照EN 12663鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：在任何載荷條件下，計(jì)算應(yīng)力不超過(guò)對(duì)應(yīng)區(qū)域母材/焊縫的許用應(yīng)力。

壓縮工況是車體所有載荷工況中最惡劣的一種，在工程車車體在承受1．3倍垂直載荷的同時(shí)，于牽引梁車鉤安裝處施加大小為1500kN的壓縮載荷。車體最大應(yīng)力達(dá)到259．93MPa，發(fā)生在設(shè)備間端部的檢修門(mén)門(mén)角處，該處車體母材許用應(yīng)力為355MPa，安全系數(shù)為1．29，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖1所示。

圖1 壓縮工況應(yīng)力分布圖

隨后對(duì)車體進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，車體1500kN縱向壓縮實(shí)驗(yàn)工況下，該處應(yīng)力為253．08MPa，計(jì)算應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)應(yīng)力偏差率約為2．7%，符合性較好。

對(duì)車體進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)并與仿真分析結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均和計(jì)算結(jié)果基本吻合，誤差率控制在10%以內(nèi)，車體靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 車體剛度校核

車體剛度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：最大垂向載荷工況下，底架邊梁中部的垂向位移不超過(guò)轉(zhuǎn)向架定距的1‰，該車體轉(zhuǎn)向架定距為7760mm，即計(jì)算及靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均不應(yīng)大于 7．76mm。

經(jīng)計(jì)算，在1．3倍車體垂向載荷工況下，底架邊梁中部垂向位移約為6．42mm；該工況下靜強(qiáng)度試驗(yàn)邊梁中部垂向位移為7．5mm，略大于計(jì)算結(jié)果，但仍滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 車體模態(tài)計(jì)算

通過(guò)有限元分析的方法，對(duì)車體在1～50Hz頻率范圍內(nèi)，車體振動(dòng)形式的特性進(jìn)行了分析，該車整備狀態(tài)下車體一階彎曲頻率為4．10Hz。通過(guò)模態(tài)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，該車車體滿足整備狀態(tài)車體彎曲自振頻率與轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭和浮沉振動(dòng)頻率的比值不小于1．4；車體彎曲自振頻率與柴油機(jī)自振頻率比值不小于1．4的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

ZER2型電力工程車車體于2019年完成設(shè)計(jì)、試制及相關(guān)型式試驗(yàn)并開(kāi)始服役，拓展了工程車維護(hù)車領(lǐng)域車體平臺(tái)的譜系，創(chuàng)造了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。