电力机车车体承载特性分析

2013-12-23黄学君

机械工程师 2013年11期

黄学君

（株洲电力机车有限公司技术中心，湖南株洲412001）

1 引言

车体是电力机车的重要传力结构，机车正常运行时，车体是牵引力和制动力从转向架传递给车辆的必经环节。车体是机车二系悬挂系统以上各种设备赖以安装集成的载体，需承受二系悬挂系统以上全部设备的重量及由全部设备产生的各种动载荷。车体是司乘人员的工作场所，需为司乘人员提供安全舒适的工作环境。随着电力机车向高速重载方向发展，对电力机车车体的承载能力要求越来越高，因此有必要对电力机车车体的承载特性进行分析，以便在设计车体承载结构时做到有的放矢，通过提高关键承载部件的承载能力来提高车体的整体承载能力，设计出满足要求的合理结构。

2 车体设计载荷

根据文献［1］，电力机车车体需承受如下各种工况设计载荷的作用：作用在车体两端后从板座上2000kN 的压缩力，作用在车体两端前从板座上1000kN 至1500kN 的拉伸力，作用在牵引梁上盖板上方150mm 处400kN 的压缩力，作用在司机室前窗底梁处300kN 的压缩力，作用在车体上1.3 倍车体设计重量的垂向载荷，带一个转向架的车体一端架车和一端起吊，带两个转向架的整车架车和整车起吊，设备在横向相当于1×9.8m/s2惯性力、纵向相当于3×9.8m/s2惯性力、垂向相当于1.5×9.8m/s2至3×9.8m/s2惯性力对车体的冲击，作用在牵引座上的牵引力与制动力。

3 车体承载特性

图1 为电力机车车体，电力机车车体是由底架、司机室、侧墙、端墙、顶盖等组成的一个长条形的腔体结构，大部分电力机车是带两个转向架的，也有极少数带三个转向架，车体被支撑在转向架上，相当于一根两端外伸的单跨或两跨简支梁。

从相关标准要求和机车的实际运行情况来看，车体主要承受纵向偏心压缩力、纵向偏心拉伸力和垂向力作用。根据车体受力特点和车体形状及支撑特点，可以用车体横截面来衡量车体的整体承载能力。

由于顶盖是由螺栓固定的可拆卸结构，一般认为顶盖不是车体的主要承载结构，因此去掉顶盖和顶盖安装横梁，避开设备安装座、底架横梁和侧墙立柱位置，并且为简化而不计地板和侧墙的孔洞，作出面积最小的车体横截面，这是车体承载能力最弱的横截面，也是衡量车体整体承载能力的最佳横截面。

4 典型载荷分析

4.1 偏心力作用在从板座上

图2 无中梁车体断面

这是纵向偏心力作用在车体截面形心下方的情况。图2 为底架无中间纵梁的车体横截面，假定在车体两端车钩中心线位置施加压缩力F，由于压缩力F 的作用点偏离截面形心1078mm，因此压缩力使车体受压的同时，还会在纵向铅锤面内对车体产生1078×F 的弯矩。车体横截面积为81095mm2，车体横截面对水平中心轴的惯性矩Iy为6.7×1010mm4，侧墙上边缘距中性轴的距离为2040mm，底架下边缘距中性轴的距离为887mm。叠加截面上由压缩力和弯矩产生的正应力，截面中性轴将上移766mm，这时车体截面中性轴位置如图3 所示，侧墙上边缘出现最大拉应力2.05F×10-5，底架下边缘出现最大压应力2.66F×10-5。如果在车体两端车钩中心线位置施加拉伸力F，截面中性轴同样将上移766mm，侧墙上边缘出现最大压应力2.05F×10-5，底架下边缘出现最大拉应力2.66F×10-5。

图4 为底架有中间纵梁的车体横截面，这时车体横截面积为90804mm2，车体截面对水平中心轴的惯性矩Iy为7.0×1010mm4，侧墙上边缘距中性轴的距离为2102mm，底架下边缘距中性轴的距离为825mm，车钩中心线距离截面形心1016mm。在车体两端后从板座施加压缩力F时，截面中性轴将上移675mm，这时车体截面中性轴位置如图5 所示，侧墙上边缘出现最大拉应力1.95F×10-5，底架下边缘出现最大压应力2.3F×10-5。如果在车体两端前从板座施加拉伸力F，截面中性轴同样将上移675mm，侧墙上边缘出现最大压应力1.95F×10-5，底架下边缘出现最大拉应力2.3F×10-5。

图3 偏心力作用时无中梁车体断面中性轴上移

从计算情况来看，车体两端车钩中心线处受偏心力作用时，底架最大应力略高于侧墙最大应力，底架不但横截面面积大，而且完全处于应力高的区域，因此底架是车体的主要承载结构。车体横截面水平中性轴几乎把侧墙横截面分为等距离的两部分，但侧墙截面积较小，因而侧墙实际分担的载荷也较小，但侧墙上弦梁位于侧墙的高应力区，而且上弦梁截面在侧墙截面中所占比例较大，因此上弦梁是侧墙的主要承载结构。

司机室位于车体端部，长度较长，在车钩中心线处作用纵向偏心力时，司机室要参与偏心力的传递。根据侧墙的承载情况，要求司机室顶部有与侧墙上弦梁对接的梁。司机室侧壁门窗孔洞面积大，承载时容易在门窗拐角处出现应力集中现象，因此门窗拐角应大圆弧过渡。

后端墙也位于车体端部，但后端墙长度短，且基本位于从板座之外，因此后端墙不直接承受作用在从板座的偏心力引起的纵向拉伸、纵向压缩和弯曲作用。但从分析车钩箱的局部受力可以看出，后从板座受压时后端墙承受垂向拉力，前从板座受拉时后端墙不受力。

图4 有中梁车体断面

图5 偏心力作用时有中梁车体断面中性轴上移

4.2 压缩力作用在司机室前窗底梁

对于图2 所示底架无中间纵梁的车体，压缩力f 作用在司机室前窗底梁时，压缩力f 距底架上平面的高度约为1000mm，压缩力使车体横截面产生的压应力为1.23f×10-5。附加弯矩使截面产生的最大拉应力为0.7f×10-5，最大压应力为1.61f×10-5。叠加截面上由压缩力和附加弯矩产生的正应力，侧墙上弦梁出现最大压应力2.84f×10-5，底架下边缘出现最小压应力0.53f×10-5。

对于图4 所示底架有中间纵梁的车体，压缩力f 作用在司机室前窗底梁时，压缩力使车体横截面产生的压应力为1.1f×10-5。附加弯矩使截面产生的最大拉应力为0.7f×10-5，最大压应力为1.78f×10-5。叠加截面上由压缩力和附加弯矩产生的正应力，侧墙上弦梁出现最大压应力2.88f×10-5，底架下边缘出现最小压应力0.4f×10-5。

在司机室前窗底梁施加压缩力时，车体横截面处于全压缩状态，最大压应力在侧墙上弦梁，最小压应力在底架下边缘。由于侧墙上弦梁截面积较大，侧墙上弦梁将承受较大的压缩力。司机室也处于全压缩状态，由于司机室顶部需向侧墙上弦梁传递压缩力，因此要求司机室顶部有与侧墙上弦梁对接的梁，以便于顶部压力传递流畅。由于门窗孔洞的存在，车体截面发生突变，容易在司机室门角窗角出现应力集中现象，因此司机室门角窗角应采取大圆弧过渡。

根据车体截面的应力分布情况，后端墙需承受侧墙传递过来的纵向压力，且顶部压力大，底部压力小，这些压力使后端墙产生剪力和弯矩，后端墙与底架接口截面为后端墙中剪力和弯矩最大的截面，后端墙主要通过立柱和墙板来承受弯矩和剪力。

4.3 车体受垂向载荷作用

垂向载荷为车体自重、设备重力和垂向冲击载荷。为便于分析车体在垂向载荷作用下的承载特性，假定车体与设备重量沿车长均匀分布。由于车体是靠枕梁支撑在转向架上，车体可以看成是受均布载荷作用的两端外伸的简支梁，图6 为车体受力图，图7 为车体剪力图，图8为车体弯矩图。从剪力图和弯矩图可知车体枕梁处剪力和弯矩均较大，车体中部截面弯矩较大。显然在垂向载荷作用下，最大应力出现在侧墙上弦梁。

图6 车体垂向载荷分布图

图7 垂向载荷作用下车体剪力图

图8 垂向载荷作用下车体弯矩图

在垂向载荷作用下车体端部附近截面的剪力和弯矩都很小，位于车体端部的后端墙由于长度较短，因此车体在重力载荷作用时后端墙基本不发挥承载作用。

司机室也位于车体端部，但司机室长度较长，车体在垂向载荷作用下，司机室靠近车体中部侧参与承载，靠近车体端部侧基本不参与承载。

5 底架承载分析

压缩力作用在司机室前窗底梁是标准要求车体需承受的设计载荷，垂向载荷和作用在从板座、牵引座的偏心力不但是标准要求的设计载荷，而且是车体实际运行中的常见载荷。根据以上分析，可以看出，底架、侧墙和司机室是机车正常运行和停靠状态下车体中的主要承载结构。

从对车体横截面的承载特性可以知道，底架边梁截面大小、边梁高度、地板厚度，以及底架是否布置中间纵梁等都是影响底架承载的主要因素。

从板座作用偏心力时，对比无中梁和有中梁两种情况，与无中间纵梁相比，底架有中间纵梁时底架最大应力降低约13%，侧墙最大应力降低约5%。司机室前窗底梁作用压缩力时，底架增加中间纵梁时，底架下边缘的最大应力降低了24%，侧墙上边缘的最大应力变化不明显。车体受垂向载荷作用时，底架增加中间纵梁时底架最大应力降低约11%，侧墙最大应力变化不明显。综合各种典型载荷作用结果，底架增加中间纵梁时可显著提高车体的承载能力。底架布置中间纵梁还可以使牵引力和制动力传递更顺畅。

6 侧墙承载分析

在以上几种典型载荷作用下，侧墙上弦梁是侧墙中应力最大的部位，而且上弦梁截面面积在侧墙中所占比例较大，因此上弦梁是侧墙的主要承载结构。为了说明侧墙上弦梁对整个车体横截面承载性能的影响，在车钩中心线作用偏心力，按底架有中间纵梁和无中间纵梁两种情况来说明，每种情况分别按上弦梁取不同的厚度来分析。分析结果见表1（表1 中a、b 分别代表车体横截面上边缘、下边缘）。

表1 从板座作用偏心力时车体横截面最大正应力随侧墙上弦梁板厚变化情况

从表1 中可以看出，上弦梁厚度为6mm 时底架下边缘应力值开始高于侧墙上边缘应力。当上弦梁厚度大于6mm 时，底架下边缘的最大应力开始无明显降低，侧墙上边缘的应力降低幅度也变小，对于该车体横截面，上弦梁合适的厚度取为6mm，该型机车车体侧墙上弦梁的设计厚度正是取为6mm。

另外对于在车体两端前从板座上作用拉伸力、在牵引梁上盖板上方150mm 处作用400kN 的压缩力和在司机室前窗底梁作用300kN 的压缩力等载荷，还需对侧墙进行稳定性校核。由于上弦梁分上下两根，位于上部的上弦梁截面应力较大，根据其截面面积和截面应力计算出上部上弦梁所承受的压力。再计算上部上弦梁的临界压力，上部上弦梁的临界压力与实际所承受的压力之比应不小于必要的稳定安全系数。