ZER2型電力工程車車體設計

谷祥帥，賀燏

（中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

ZER2型電力工程車屬于工程維護車輛范疇，用于在城市軌道環境下調車、牽引及救援用，主要采用內燃或蓄電池動力。ZER2型電力工程車供電方式為柴油機加受電弓受流，該車型目前已上海、深圳、廣州等國內外城市廣泛應用。

ZER2工程車車體采用雙司機室外走廊的底架承載結構，車體整體為全鋼焊接結構，車體強度高、質量輕、檢修方便。

1 電力工程車車體主要特征和技術參數

1.1 主要特征

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

（1）車體結構設計滿足EN 12663：2010《鐵路設施．鐵路車輛車身的結構要求》；車體焊接設計滿足《EN 15085:2007鐵路應用-鐵路車輛和部件的焊接》等軌道交通領域標準的要求。

（2）因該車型應用于城市軌道交通，與鐵路機車相比較，機車重量有較大限制。因此，在保證車體強度和剛度的前提下，需對車體進行輕量化設計。

（3）車體中部需安裝柴油機，致使車體上部在兩司機室之間無連接，車體焊接結構的橫截面出現突變，車體為底架承載結構，對底架的強度及剛度要求較高。

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

（5）采用外走廊結構，兩司機室通過外走廊相連接，便于運行中巡視，為方便設備及柴油機檢修作業，側墻上布置有可打開的側墻門。

1.2 車體主要技術參數（表1）

2 車體結構的設計

ZER2型電力工程車車體為雙司機室外走廊結構，承載方式為底架承載。

表1

2.1 車體強度及剛度設計

基于城市軌道交通運營環境，ZER2型電力工程車需具有足夠的強度，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《鐵路應用鐵路車輛車體的結構要求第1部分：機車和客運車輛》。因該車需采用輕量化設計，車體重量約13．5噸，因此，需要合理分配重量及選用材料。

車體主承載結構尤其是車體底架選用Q460E，該材料符合GB/T 1591：2018《低合金高強度結構鋼板》要求，其機械性能及焊接性能較好，且已在既有電力機車上得到了應用。

底架為車體最主要的承載部件，底架為框架式結構。為增強底架強度及剛度，中央布置有兩行貫通式中梁，與底架邊梁一起構成縱向力的主要傳遞路徑，底架邊梁使用大截面結構以增強結構的抗壓及抗剪能力。在各主要設備安裝座下方都設置有橫梁或縱梁以提高承載能力，各設備安裝座、安裝梁的設計充分考慮抗各向沖擊的能力。對底架各變截面處采用圓弧過渡，以使力流平滑過渡。對承受動載荷的部位重點關注其疲勞性能，避免產生應力集中。

司機室鋼結構充分考慮司乘人員的安全性及人體工學，在司機室前窗上、下沿及司機室鋼結構底部各布置一圈加強梁，其中，前窗下沿加強梁可承受300kN的壓縮載荷而不發生塑性變形。在前窗兩側司機室角柱區域設置防撞柱，以提高司機室的安全性能。為方便車輛在運行過程中觀察信號及瞭望，在司機室前端、左右兩側都設有窗戶且具有良好的視野。與鐵路機車及其他雙司機室工程車不同的是，ZER2型電力工程車入口門設置在司機室后墻，與走廊連通，方便運行過程中巡視。

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

2.2 柴油機安裝結構設計

柴油機重量約為11．2噸，為保證其安裝結構的強度，將柴油機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接，形成一個箱型結構。

合理分布柴油機安裝螺栓，將螺栓位置與底架各梁布置相結合，使各螺栓受力均勻，使柴油機安裝梁與底架構成一個整體以改善受力狀況。對柴油機安裝螺栓強度進行校核，保證柴油機安裝螺栓具有充裕的安全系數；對柴油機安裝座強度進行校核，保證柴油機安裝區域不會出現較大應力。

柴油機本身為一大型箱體結構，其質量與車體底架質量相近，為避免二者出現共振，對柴油機內部各設備進行合理分布；對柴油機箱體底部安裝梁及側壁各梁進行剛度校核，通過模態分析確定其自振頻率，并與車體頻率相隔離。

2.3 應力集中部位的優化設計

因柴油機安裝在II端司機室與設備間之間，致使車體上架兩司機室之間在底架上部沒有剛性連接，車體上架出現較大的變截面區域。通過靜強度計算發現，計算應力較大點出現在設備間側墻端部的檢修門門角處，因此，在檢修門門角處增加圓弧過渡，以避免應力集中。

對其他應力較大部位，通過增加板厚，優化結構、使用高強度材料等措施進行優化設計，確保車體靜強度及疲勞強度都能滿足相關標準要求，提高機車安全性。

3 車體計算

3.1 車體靜強度計算

車體靜強度計算按照EN 12663鐵路應用-鐵路車輛車體的結構要求進行。評判標準為：在任何載荷條件下，計算應力不超過對應區域母材/焊縫的許用應力。

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，于牽引梁車鉤安裝處施加大小為1500kN的壓縮載荷。車體最大應力達到259．93MPa，發生在設備間端部的檢修門門角處，該處車體母材許用應力為355MPa，安全系數為1．29，滿足設計要求，如圖1所示。

圖1 壓縮工況應力分布圖

隨后對車體進行了靜強度試驗，車體1500kN縱向壓縮實驗工況下，該處應力為253．08MPa，計算應力與實驗應力偏差率約為2．7%，符合性較好。

對車體進行了靜強度試驗并與仿真分析結果進行了比對，各應力測點的應力值均和計算結果基本吻合，誤差率控制在10%以內，車體靜強度滿足設計要求。

3.2 車體剛度校核

車體剛度評判標準為：最大垂向載荷工況下，底架邊梁中部的垂向位移不超過轉向架定距的1‰，該車體轉向架定距為7760mm，即計算及靜強度試驗結果均不應大于 7．76mm。

經計算，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；該工況下靜強度試驗邊梁中部垂向位移為7．5mm，略大于計算結果，但仍滿足設計要求。

3.3 車體模態計算

通過有限元分析的方法，對車體在1～50Hz頻率范圍內，車體振動形式的特性進行了分析，該車整備狀態下車體一階彎曲頻率為4．10Hz。通過模態分析及試驗驗證，該車車體滿足整備狀態車體彎曲自振頻率與轉向架點頭和浮沉振動頻率的比值不小于1．4；車體彎曲自振頻率與柴油機自振頻率比值不小于1．4的要求。

4 結語

ZER2型電力工程車車體于2019年完成設計、試制及相關型式試驗并開始服役，拓展了工程車維護車領域車體平臺的譜系，創造了良好的社會經濟效益。