某型寬軌內燃機車車體設計開發

李小遠 龔和娣 費龍仁 王龍 許齊

摘 要： 重點介紹了某型寬軌內燃機車車體的設計理念;具體介紹了車體的主要結構布置、司機室和車架的結構形式;總結了相關的設計經驗。

關鍵詞： 車體;結構;理念;車架;仿真分析

某型機車是中車戚墅堰機車有限公司為滿足用戶鐵路快速發展的需求而設計開發的新型干線貨運寬軌內燃機車。該用戶擁有寬軌、窄軌、標軌三種軌距的鐵路線，根據用戶要求，三種軌距的機車要在外形、設備等方面簡統。為了保證該車的設計質量，在方案和技術設計階段，對車架強度進行了仿真分析。通過仿真分析，對設計方案進行評價和不斷修改，使其達到理想的狀態。這里僅討論車體設計開發過程中的設計理念及結構、并通過對車架仿真分析，對車架的靜強度進行評價。

1車體設計理念

在車體結構設計過程中可靠性放在首位，兼顧成熟、經濟的原則。考慮機車可維護性和可適用性，盡可能滿足用戶使用習慣。同時考慮機車外表的工藝性和美觀性，司機室內部布置的合理性、舒適性。在設計時遵循標準化、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，車體在設計時以國際標準，如EN12663-1：2010、UIC 651-OR-2002等及用戶的技術規范中提到的標準要求為設計準則。

其次，在具體設計中，車體結構要滿足用戶限界要求;適應寬軌軌距要求;滿足外走廊單司機室車架承載方式要求;滿足總體對車體的要求;滿足車體與轉向架的支撐方式。在兼顧三種軌距機車的要求下，采用了系列化的設計原則。適應了柴油機組、旁承、減振器、車鉤緩沖器、司機室、牽引電機、冷卻風機進出風口、電氣柜、傳動系統等部件的安裝要求。同時考慮電氣線路、空氣管路在車架上進出位置和大小。

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

設計的各個階段，多次與用戶進行設計溝通，充分聽取用戶的意見，對用戶的訴求及使用習慣歸納匯總，在滿足合同與標準的前提下，最大限度滿足用戶使用的要求。

2車體結構設計

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

另一方面車體作為機車大部分機械、電機電氣設備的安裝基礎，除了為車內設備提供足夠的空間， 保證機車正常運轉外， 還要為司機操縱提供良好的工作環境。

車體結構主要由車架、司機室、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，車架的結構充分考慮了強度、剛度以滿足機車的運行需求;車體各室采用了模塊化的設計理念，通過螺栓與車架聯接，便于機車的批量生產制造和后期的檢修、維護。

在車體的兩端，設有高度可調的排障器。根據用戶要求，采用符合AAR-10A輪廓的100型鉤緩裝置，實現機車、車輛的連掛。

2.1司機室結構

機車采用獨立模塊的司機室，與車架采用螺栓連接。在司機室的設計過程中，充分考慮鋼結構的強度要求、司機室的舒適性要求，為機車司乘人員提供一個安全可靠、舒適的工作環境。

司機室鋼結構由前端壁、左右側壁、后間壁、頂蓋和地板梁組成。司機室前窗下部與車架上的防撞墻聯接。司機室內有操縱臺、座椅、頂燈、閱讀燈、風扇、前窗、側窗、窗簾、滅火器、信號箱、空調、取暖器、地板及司機室側門、中門等。司機室內裝采用吸聲海綿+吸聲發泡+吸聲氈+多孔鋁板+玻璃鋼的組合結構，以滿足用戶提出的噪音要求，司機室的結構及設備布置符合UIC651的要求，也滿足用戶關于長端視野等的特殊要求。

司機室內設備的布置、色彩的選取符合人機工程原理。司機室內非金屬材料滿足無毒、低鹵、阻燃的要求。

2.2車架結構

根據機車總體結構，結合轉向架及車上設備的布置，車架結構如下：

·車架采用雙箱型梁結構承載，考慮到柴油機、轉向架部件的安裝，箱型梁中部采用魚腹結構，增加承載剛度;魚腹梁外側與轉向架連接處采用變截面結構及均化應力的異形孔。

·在箱型梁各變截面處采用圓弧過渡，減少應力集中;

·箱型梁兩端與車鉤牽引以及防撞、防爬結構間設置了傳力的連接板，并使各部件有效連接。

·滿足用戶要求的100型鉤緩裝置，設計相應的牽引梁結構;牽引力通過連接板傳力至箱型梁。

·司機室端設置了滿足標準的防撞墻。防撞墻寬度與司機室寬度一致，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置了滿足AAR S-580標準的防爬器。防爬器由數個防爬條組成，在端部的全寬范圍內布置，長度超過車架端部的1/3。

此外，車架結構中還包括牽引銷梁、柴油機梁等設備安裝梁、牽引電機前后風道、排污排水設施等。

3車架強度仿真分析

3.1有限元建模

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

計算時，為簡化模型，去除了非承載的風道部分。網格模型，采用25mm大小、8節點四面體網格為主，共劃分了901463個單元，1835295個節點。坐標系選用全局坐標系，X、Y、Z分別對應于機車的縱向、橫向、垂向，且X軸方向為運動方向，Z軸的正向為垂直向上。

3.2計算工況及結論

該車架主要由Q420和Q460通過焊接而成，通過有限元分析，得出各工況最大應力：垂直載荷工況，在柴油機安裝座處為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、扭轉載荷工況，在風道安裝處為351.1MPa。，車體縱向靜載荷（司機室安全壓力）工況在防爬器加強筋處為368.7MPa。計算結果均符合要求。

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試驗驗證

按照試驗大綱，完成了該型機車車體的靜強度試驗。試驗結果顯示，車體沒有產生彎曲以及任何形式的永久變形，車體應力集中趨勢與分析計算結果相符，所有測點的應力值均小于材料的許用應力，安全系數均大于規定數值，表明該車體強度滿足設計要求。

4設計體會

目前，本機車已為用戶提供鐵路貨運服務，因其可靠的質量、較大的運載能力和優越的性能優勢得到了用戶的高度評價。

本次機車車體設計，有以下體會：

a.全面的設計輸入很重要。方案設計中，除了有關合同、標準等必要的輸入外，與用戶的多次溝通很關鍵，決定了用戶的滿意度。

b.車體設計要“顧全大局”，充分考慮工作環境的符合性、材料選擇的合理性、結構形式的正確性，同時兼顧制造、組裝工藝性、維護接近性。

c.細節決定成敗。如結構中的圓弧過渡、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、技術設計階段乃至設計的整個過程均采用仿真分析的方法，可以直觀了解應力與應變的情況，避免超應力的存在，縮短設計周期。

e.借鑒經驗，不斷完善。借鑒公司在其他機型的成熟技術，針對該車型的特點不斷完善，提高新造機車的可靠性。

參考文獻

[1] BS EN 12663-1-2010 鐵路應用—鐵道車輛車體結構要求 第1部分：機車和客車（及貨車的可選用方法）.

[2] UIC651- 2002， 機車、動車、動車組和帶司機室客車的司機室結構.

[3] 龔和娣.某型內燃機車司機室設計及舒適性分析[J].軌道交通裝備與技術，2018/02：18-20.