（光学工程专业论文）大功率交流传动调车机车车体设计及分析.pdf

西南文通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 近年来，随着我国经济的高速增长和大规模投资建设，使得铁路货运周转量保持 了两位数的增长速度，货运量不断增加，运力和运量之间的矛盾日益凸显，牵引定数 不相匹配大大降低了各货运编组站的调运能力。为了解决目前国内调车机车的运用瓶 颈，我公司着手研发新一代的调车内燃机车。在大量调研各种类型机车基础之上，以 公司4 0 0 0 马力干线机车设计和制造平台为基础，借鉴和谐号系列机车的先进性、成熟 性、可靠性和实用性，研制新一代的大功率交流传动调车机车。 其中机车车体是整个机车的主体，不仅要传递各个方向的力，而且还要保证机车 在各种恶劣工况下安全运行。该机车车体采用单司机室外走廊罩式结构，车底架为主 承载件，同时使用整体承载式燃油箱，从而在满足车体强度和刚度的同时，整车重量 得到了有效控制。 由于该车是全新设计，故车体结构的强度和刚度以及振动、冲击和连接部位的疲 劳性能必须进行理论计算分析。本文利用大型通用有限元软件a n s y s 对新研制的大功 率交流传动调车机车车体进行了有限元分析。参照t b t 2 5 4 1 1 9 9 5 内燃、电力机车车 体静强度试验方法，对机车车体进行静强度分析；根据e n l 2 6 6 3 1 ：2 0 1 0 铁路应用铁 路车辆车体的结构要求，对车体结构进行振动模态的计算分析以及疲劳强度计算分 析。 分析结果显示车体结构在强度和刚度方面满足设计任务书的要求；车架上的对接焊 缝满足疲劳强度要求；大部分t 型焊缝可满足疲劳强度要求，但有部位超出疲劳强度极 限，需要对焊缝进行焊缝焊趾打磨和焊缝喷丸等工艺处理，提高焊缝疲劳强度极限后， 可以满足疲劳强度要求。 关键词：交流传动；机车车体；模态分析；疲劳强度分析；静强度分析；结构优化 a b s t r a c t w i t h 也er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y a n dt h el a r g e 。s c a l el n v e 舳e n tm r e c e n tv e a r s ，r a i lf r e i g h tt u r n o v e ri sa l m o s tk e e p i n gd o u b l e d i g i ti n c r e a s e f r e i g h tq u a n t i t y 1 8 m o r ea n dm o r el a r g e ，s oc o n f l i c tb e t w e e nc a r r yq u a l i t ya n dc a r r yq u a n t i t yh a si n e r e a s i n g i y 锄e r g e d a n dt r a c t i o nd e s t i n yi sn o tm a t c h i n gs ot h a tt r a n s p o r ta b i l i t yi s g r e a t l yd e c r e a s e d i no r d e rt os o l v eo p e r a t i o n a lb o t t l e n e c ko fn a t i o n a ls h u n t i n gl o c o m o t i v e s ，m yc o m p a n y 锄b 破so nd e s i 印i n gan e wg e n e r a t i o no fs h u n t i n gi n t e r n a lc o m b u s t i o nl o c o m o t i v e o nt h e b a s i so f4 0 0 0h o r s e p o w e rl o c o ，u s i n gh e x i es e r i a l l o c o m o t i v ea d v a n t a g ef o rr e f e r e n c e ， t h r o u 吐i n v e s t i g a t i n g v a r i o u se x i s t e n tl o c o ，t h en e wg e n e r a t i o no fl l i 曲p o w e r a c t r a n s m i s s i o ns h u n t i n gi n t e r n a lc o m b u s t i o nl o c o m o t i v ei sb o r n t h ec a r b o d vw h i c hw i l lt r a n s f e rf o r c ef r o md i f f e r e n td i r e c t i o ni sm a i nb o d yo ft h e w h 0 1 el o c o m o t i v ea n dm u s tn o r m a l l yr u nu n d e ra l lt h eb a d c o n d i t i o n s t h ec a r b o d ya d o p t s s i n g l ed r i v e r ，sc a ba n do u t s i d ec o r r i d o rs t r u c t u r e ；t h eu n d e r f r a m e i sm a i nl o a d i n gp a r ta n d u s ei n t e g r a ll o a d i n gf u e lb a n kt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc a r b o d y va n d s u c c e s s f u l l y c o n t r o lt o t a lw e i g h t b e c a u s em i sl o c o m o t i v ei sn e wd e s i g n ， c a r b o d ys t r u c t u r em u s tc a r r y o nt h e o r y c a l c u l a t i o na n a l y s i sa b o u ts t r e n g t h 、r i g i d i t ya n dv i b r a t i o n 、p l a t f o r mf a t i g u ep e r f o r m a n c e t h el a 职e s c a l ea n dg e n e r a lf i n i t ee l e m e n ts o r w a r e _ 一a n s y si sa d o p t e dt oa n a l y z et h e c a 南o d yo ft h i sn e wh i g hp o w e ra ct r a n s m i s s i o ns h u n t i n g l o c o m o t i v e a c c o r d i n gt o t b t 2 5 4 1 1 9 9 5 ( d i e s e l 、e l e c t r i cl o c o m o t i v ec a r b o d y s t a t i cs t r e n g t ht e s tm e t h o d ) ) ，c a r b o d y c a r r y o ns t a t i cs t r e n g t hc a l c u l a t i o na n a l y z e ； a c c o r d i n g t oe n l 2 6 6 3 1 ：2 0 1 0 r a i l w a y a p p l i c a t i o n s t r u c t u r er e q u i r e m e n t so fr a i l w a yv e h i c l ec a r b o d y ) l ， c a r b o d ys t r u c t u r ew i l lb e o nc a l c u l a t i o na n a l y s i so fv i b r a t i o nm o d ea n df a t i g u es t r e n g t h t h r o u g ht h ea b o v et h e o r y 卸a l y s i s ，w ef i n do u td e s i g nw e a k n e s s t oo p t i m i z ec a r b o d ys t r u c t u r ei nt i m e t h er e s u l ts h o w si n t e n s i t y 、r i g i d i t ya n dl i b r a t i o no fc a r b o d y s t r u c t u r em e e t st h ed e s i g n r e o u i n 疆n e n t s f l a tw e l dm e e t sf a t i g u er e q u i r e m e n t s ；l a r g es c a l eo ft t y p ew e l dm e e t sf a t i g u e r e q u i 谳n c n t s ；e x c e e d i n gf a t i g u el i m i t sw e l ds h o u l db e c o n d u c t e db yw e l dt o ep o l i s h i n ga n d w e l ds p r a y i n gb i l l k e yw o r d s ：a c t r a n s m i s s i o n ；c a r b o d y ；s t a t i cs t r e n g t he a l e u l a t i o ra n a l y s i s ； f a t i g u es t r e n g t ha n a l y s i s ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题来源 第l 章绪论 近年来，随着我国经济的高速增长和大规模投资建设，使得铁路货运周转量保持 了两位数的增长速度，货运量不断增加。 目前国内各大货运编组场的牵引吨位一般为5 0 0 0 t 左右，即将开行6 0 0 0 t ，最大可 达6 5 0 0 t ，而现有调车机车的牵引性能难以满足编组站作业的需求，部分机务段有时已 采用干线机车来作调车机车使用。可见各路网性和区域性编组站调车机车牵引能力不 相匹配的问题日益凸显。同时经调研显示现有调车机车存在下列问题：其功率与干线 牵引定数不匹配、连续作业能力不足、司机工作环境差、下部限界不能满足驼峰限界、 经济性差等。再者由于整个铁路系统已多年未采购调车机车，既有调车机车运用年限 普遍较长，各路局对于新型大功率调车机车的需求日益迫切。为此，铁道部运输局已 要求相关整机制造企业基于引进的干线大功率交流传动机车的技术和制造平台，研发 适应运输扩能，满足动力点线匹配等要求的新型大功率交流传动调车机车。 公司了解到国内铁路对大功率调车机车的迫切需求后，综合各方面的因素，充分利 用公司长期从事干线内燃机车和调车内燃机车研发的优势，消化、吸收h x n 5 型机车 的先进技术和理念，根据我国铁路调车内燃机车的运用要求和特点，着手开发一款性能 优良、可靠性和可维护性高，能够满足国家产业技术政策的“节能、环保、重载”大功 率调车内燃机车。作为整个机车的主体一车体是该车设计的技术重点和难点。优良性能 的车体即要具有足够的刚度、强度、抗疲劳性，还应具有抗冲击性和振动的适应性。 1 2 国内外调车机车发展现状和趋势 目前我国铁路用调车内燃机车大多采用交直流电传动，主要机型有d f 5 、d f 7 系 列调车内燃机车。其中，d f 7 g 是我国目前最先进的交直流调车内燃机车。 然而交流传动内燃机车有卓越的防空转、防滑行能力，粘着利用率高，起动加速 快，我国上世纪九十年代开始研制交流传动内燃机车。虽然起步不晚，但由于核心技 术没有完全掌握，交流传动调车内燃机车没有批量生产。 而交流传动技术在国外已成熟可靠。g e 公司、e m d 公司已大批量生产大功率交流 传动内燃机车。4 0 0 0 马力及以上等级的交流传动调车机车也已经大量投入运用，例如： e m d 公司制造的s d 7 0 a c e 型调车机车、g e 公司制造的c 4 4 9 a c 型、c 4 5c t ea c 型调 西南交遗大学硕士研究生学位论文 第2 页 车机车和“创新型混合动力机车”。 近年来，国外调车内燃机车在满足用户牵引要求的同时，根据调车机车的运用特 点在节能、环保方面进行了大量的研究，陆续推出了多款低排放的“环境友好”型调 车机车。 ( 1 )“绿山羊”和“绿小山羊复合型调车机车 “绿山羊”和“绿小山羊”复合型调车机车是由加拿大铁路动力技术公司于2 0 0 2 年研制的，机车采用一小功率柴油机一“发电机组”给一排用于驱动的可重复充电的铅 一酸蓄电池组充电，这两种调车机车与普通的同等功率的调车内燃机车相比，n o x 和颗 粒排放量可减少8 0 9 0 ，同时可节省燃料5 0 - - 一8 0 ，温室气体排放量可减少 4 0 - 6 0 。但在2 0 0 7 年“绿山羊”调车机车因为蓄电池长期运用温度过高而发生火 灾事故被召回，为此该公司着手研发了第三代“绿山羊”机车，主要对机车潜在的问 题进行深入研究，并安装一种用于监视蓄电池单元的软件。 ( 2 ) r p 2 0 b d 型、3 g s 2 1 b 型和b l l 4 c c 型调车机车 r p 2 0 b d 型调车机车也是加拿大铁路动力技术公司于2 0 0 6 制造的，3 g s 一2 1 b 型 调车机车是美国国家铁路设备公司( n r e ) 于2 0 0 6 年生产的n v i r o m o t i v e 系列环保型 机车，b l l 4 c c 型调车机车是美国布鲁克维尔设备公司( b e ) 于2 0 0 7 年生产的。这三 种型号的调车机车均装用三套小马力的柴油机发电机组，均达到t i e r 2 排放标准，按照 “按需发挥功率”的原则，可根据调车机车作业时的工况选择启动一台、两台还是三 台柴油机发电机组。i 冲2 0 b d 型机车与同功率的一般调车内燃机车相比，可节约2 0 3 5 的燃油，而3 g s 2 1 b 型机车燃油消耗可降低3 5 5 0 ，排放的废气中有害物质 排放量可减少5 0 6 0 ( 3 ) g e 公司的“创新型混合动力机车” 该混合动力机车装用g e 公司成功的g e v o ，1 2 型柴油机，混合冷却系统和空一空 中冷器独立控制进气管空气温度。机车装有车载n a - n i c l 2 蓄电池组以收集和存储在动 力制动过程中散逸的能量。存储的能量供机车乘务员支配，蓄电池可短时提供附加的 2 0 0 0 马力的功率。存储的能量和相同的调车机车相比燃油消耗和排放可减少1 0 。 ( 4 ) s d 7 0 a c e 型内燃机车 该型内燃机车可作为调机和干线两用，为了使机车的燃油消耗和排放更低，e m d 公司把重点放在了对其经过运用考验的1 6 - 7 1 0 型柴油机进行了多方面的精细改进，由 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 此产生的1 6 。7 1 0 g 3 c t 2 型发动机包含了在机车环境中得到验证的各项技术，n o x 排 放量比原有机型减少了5 0 。通过改变压缩比和涡轮增压器参数匹配优化空气流动从 而改善燃烧，改进电子燃料喷射定时和采用更大的冷却系统和后冷却吸引等措施降低 燃油消耗和排放，已达到并超过了t i e r 2 标准。 ( 5 ) b n s f 公司开发的氢燃料电池调车机车 美国伯灵顿北方圣菲铁路( b n s f ) 公司于2 0 1 0 年推出了一款氢燃料电池机车， 该机车依靠燃料电池和铅酸牵引电池产生能量。燃料电池是把氢和氧结合在一起以产 生电能，氧可以从空气中得到，但氢必须专门提供，为此机车上将装载装满压缩氢的 储气罐。因为燃料电池利用电化学过程，所以没有对环境有害的排放物，并且没有噪 声，其燃料效率也比标准的内燃机车效率高2 3 倍。 从国内外调车内燃机车技术发展趋势来看，未来的调车内燃机车除了具优越的 牵引性能、高可靠性、可维护性，满足用户运用需求外，还应“节能、环保”，即具 有较好经济性和优良的排放指标 1 6 。 我公司充分发挥在内燃机车方面的开发和制造优势，消化、吸收h x n 5 型机车的先 进技术和理念，利用4 0 0 0 马力技术平台和资源优势，组织株洲南车时代电气股份有限公 司和南车成都机车车辆有限公司等相关关键分系统研究单位，研制新一代的大功率节能 环保重载调车机车。 1 3 我国机车车体技术的发展 长期以来，车体设计工作均按照下列过程进行：产品构思概念表达 结构设计性能分析零部件的加工和装配啼试验验证【4 1 。近年来国 内多家机车企业均经历了引进、消化吸收国外机车先进技术的过程，同时进行了颇有成 效地技术再创新，使得机车技术得到了进一步发展，机车车体技术同样有了很大提升。 主要体现在以下几个方面： ( 1 ) - - 维软件在车体设计中的应用。随着计算机软件和硬件技术的升级传统的c a d 二维设计正向以p r o e 、u g 、c a t i a 为代表的三维设计转变。车体作为大型繁杂的装 配体，需要进行装配层次、装配顺序以及设计参数等等重要要素的处理。而三维设计 的应用可以使结构关系更直观、明晰，修改和重构装配模型方便快捷，使设计效率和 精度大幅提高。 ( 2 ) 车体设计向参数化、模块化方向发展。车体结构模块化要做的主要工作是确定 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 每个模块自身的基本特征，同时建立各个模块之间的几何约束。p t c 公司提供的p r o e 软件提出了自顶向下( t o p d o w n ) 设计方法，为车体结构参数化和模块化提供了强有 力的技术支撑，实现了车体骨架主型参数与各级模块结构之间参数驱动的呼应与稳定， 使修改的有效性和可靠性得到了保障【3 】。 ( 3 ) 车体结构验证手段进一步提高。一直以来在车体研发方面，设计手段基本上都 是在设计阶段依靠经验值加样车静强度试验的方式。而目前用户已经由以国铁为主转向 国际市场、路外市场，导致设计任务品种多、产品要求不同且严格。为完成繁杂的设计 任务，提高设计水平，实现用户的不同需求，我们的设计手段不断完善，整个车体结构 或主要结构将从静强度、模态分析、疲劳强度和寿命计算等方面进行计算分析，同时根 据情况还可进行优化设计。如此可把潜在问题在设计初期进行解决，提高设计水平和效 东【1 】 1 0 ( 4 ) 车体技术标准体系逐步完善。衡量一个产品质量好坏主要依靠技术标准。我国 原有机车车体设计基本上采用国标和铁标，但随着国外机车的引进及近年来国际市场 的开拓，原有的标准已经不能满足国际竞争的需要，技术标准必须进行补充和完善。 国际上应用通行的标准有u i c 、e n 、d i n 等，这些标准的消化吸收和采用将对我国机 车车体研发水平的提高起到很大的促进作用【4 。 车体技术的发展促使此次研制的机车走上了参数化、模块化、标准化的道路，同 时结合了强大的仿真分析，为新产品的研发成功提供了有力的技术支持，且大大提高 了设计效率。 1 4 本论文的研究意义 目前我公司研制的大功率调车机车将填补我国4 0 0 0 - - - - 5 0 0 0 马力等级调车机车的 空白，为我国将来研究节能环保重载型内燃机车的开发打下基础。而该机车车体设计 的成功与否决定了机车设计的成败。因此本文将从多个方面对该车车体进行分析评价， 判断设计是否合理。 此次车体设计参照h x n 5 机车车体的设计思想，主要采用底架承载，上部室结构 中柴油机室和主发室采用螺座链接，鼻锥( 鼻锥就是辅助室) 、司机室和冷却室、主 变室、辅变室与车架焊接。 通过对车体的静强度计算分析，可判定车体的刚度和强度是否满足设计要求。 通过车体模态分析，可得到车体结构的白振频率，从而可判断其是否可以避开转 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 向架传递给车体的振动频率。 通过对车体及重要部件的疲劳分析，可找出有应力集中或焊缝强度不够的区域， 以及时采取补救措施或进行优化改进。 本论文对车体进行了全面的评价，由此评判车体设计的合理性。 1 5 本论文的主要工作 运用有限元法，利用a n s y s 分析软件对该调车机车车体建模，进行静强度、振动 模态、疲劳强度计算分析。运用相关标准对仿真分析结果进行校核，可明确车体应力的 薄弱部位，从而评价其强度及刚度设计是否合理，是否需要进行车体的结构优化。具体 内容为： ( 1 ) 建立车体分析计算有限元模型。 ( 2 ) 确定计算载荷和计算工况。 ( 3 ) 车体的静强度计算分析。 ( 4 ) 车体结构的模态分析。 ( 5 ) 车体结构的疲劳强度分析。 ( 6 ) 评价车体结构是否存在设计上的不足，以便及时进行改进。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章有限元分析理论及软件简介 2 1 有限元法基本理论 传统的力学分析方法，通过解析方法，即力学上的概念和数学上的严格推导来实 现对问题的解答。这种方法对相对简单的模型形成理论的解析解，对于较复杂的模型 能够形成定性判断。随着工业的发展，实际工程越来越趋于多样化和复杂化，同时人 们对于分析的精度要求也越来越高，这时传统解析分析方法就难以满足实际需求。 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 是一种基于数值积分的方法。在 力学分析领域，有限单元法、有限差分法、边界单元法和无限单元法等都属于数值分 析方法。有限元分析的数学物理概念清晰严谨，处理问题灵活，并具有足够高的计算 精度，从而发展为应用广泛的结构分析方法。随着近代计算机技术和数值积分技术的 发展，有限元分析迅速发展的。 有限元分析法是将连续的求解域离散为有限个、且按一定规则相互联结在一起的 多个单元，即把结构从无限维空间转化为有限维空间，把连续体转变为离散体的方法。 有限元分析的实质是用有限个在节点处相联接的单元组合体来代替一个连续体近似 体，从而把连续体的分析转化为单元分析以及单元组合的分析问题5 1 。 有限元分析即用数学方法逼近真实物理系统，利用简单相互作用的单元，实现用 有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实物理系统。简单地说，有限元模型是真实 物理系统的数学抽象，它由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承 受一定载荷。 由于单元能有多种联结组合方式，且单元又有多种不同形状，因此可以近似求解 各种几何形状复杂的求解域。有限单元法作为一种数值分析方法的另一个特点是利用 在每一个单元内假设的近似函数来分片求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函 数由未知场函数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。如此一来，未知场函 数在各个结点上的数值就成为了新的代替未知量，即自由度，使连续的无限自由度问 题变成离散的有限自由度问题。通过求解出这些未知量，就可以计算出各个单元内近 似场函数和整个求解域上的近似解。随着单元数增加，即单元尺寸缩小，或者随着单 元自由度增加，即插值函数精度的提高，近似场函数的解的近似程度将不断改进。如 果满足收敛条件的，近似解最后将收敛于精确解【6 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 有限元分析计算模型包括几何模型、有限元分析网格模型和边界条件模型等三大 类，对应建模工作也可分为几何结构实体建模、有限元网格离散和边界条件等三大步。 在进行结构有限元分析时，首先要根据对象建立合适的几何模型。由于在实际应用中， 各种具体结构在系统中的功能要充分分析实际性能特性，对结构进行合理的简化，建 立适用于有限元分析的几何模型。 几何模型可以分为两类：线面模型和实体模型。线面模型是采用杆梁件的截面重 心轴和板材的中性面构成的几何形状。实体模型指采用几何实体的实际形状，在通常 情况下不进行简化，因此能更为真实的模拟实际情况。 2 2a n s y s 软件简介 目前在工业应用中，广泛使用的有限元软件有很多种，根据奇特性在不同领域发 挥着重要作用。其中a n s y s 是一款被广泛使用的通用有限元分析软件 引。它有极其丰富 的分析求解功能，良好的分析界面，深受用户喜爱，在我国各大高校又在庞大的用户 群。a n s y s 软件是一款可以进行热、磁、流体、声、结构以及多物理场耦合分析的有限 元分析软件。由于a n s y s 软件的强大功能，使其可以广泛应用于铁道工程、汽车交通、 航空航天、造船、机械制造、材料成型、土木工程、国防军工、电子、能源等工业和 科学研究领域 1 2 。 将c a d ，c a e ，c a m 技术集成到a n s y s 软件中，可以保证使用者从设计、计算 到制造等整个过程的使用需要【1 3 。a n s y s 软件包括三个模块：前处理、分析计算和后 处理模块。 前处理模块：提供了强大的实体建模工具和网格划分工具，使用者可以通过该模块 方便地建立有限元模型。有限元建模时，单元类型和施加的边界条件等因素不同，计 算结果会差别很大；同一模型，网格划分形式不同，计算结果也会相差很大【1 4 。 分析求解模块：在一定的载荷与边界条件下将已建立好的模型进行有限元计算：分 析计算可以进行结构静力分析、结构屈曲分析、结构动力分析、流体动力学分析、热 力学分析、压电分析、电磁场分析、声场分析等等。在此阶段，使用者可以根据计算 内容确定分析类型和选项、载荷数据和载荷步选项。 结果后处理模块：a n s y s 具有通用后处理器和时间一历程后处理器两个后处理器。 通用后处理器( p o s t l ) 只能获得选择的部分模型或整个模型在某一子步或者时间 步的结果。通过该模块可以得到各种应力场、应变场或者温度场的等值线图形、变形 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 形状显示以及解释和检查分析结果的列表。该模块也包括了如：载荷工况组合、误差估 计、结果数据的计算以及路径操作等功能。 时间一历程后处理器( p o s t 2 6 ) 可获得模型的特定点在所有或某一时间步内的计算 结果；可获得结果数据对时间或频率的关系图形曲线以及结果列表。如：绘制位移一时 间曲线，应力一应变曲线等。 可见a n s y s 作为专业的有限元分析软件，为有限元法的工程应用提供了坚实的技 术保障。 2 3 本章小结 本文对有限元原理和所选用的软件进行了简要的介绍。下面将应用该软件进 行对车体的各种分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第3 章车体结构及设计特点 该调车机车沿用i - i x n 5 型机车设计和制造的理念，采用模块化设计。机车轴重2 5 t ， 装用r 1 2 v 2 8 0 z j 型柴油机，标定功率为3 5 3 0 k w ，并采用节能减排新技术，提高调车 机车经济型；采用成熟可靠的“和谐”系列机车的零部件，确保机车的可靠性。机车 车体是机车转向架之上的车厢部分( 也称上部结构) ，更是机车系统集成的载体。 3 1 车体种类划分 车体按外形可分为罩式( 外走道式) 车体和棚式( 内走道式) 车体两种；按承受 载荷的方式可分为车架承载式车体和整体承载式车体两种。车架承载式车体，所有载 荷均由车架承担，这种车体上部结构不必进行特殊设计，只要能保证其自身工作所必 需的强度和刚度即可，而车架则要求具有较高的强度和刚度。整体承载式车体即将车 罩和车架作为一个整体，成为一个完整的具有足够强度和刚度的能很好承受各种方向 的力的承载车体。这种车体一般为棚式结构，其内部除安装机械、电气设备外，还有 供司乘人员通行的通道，以便在机车运行过程中随时进行设备的检查和维修。车体内 部根据安装设备的不同，分为若干个室，如动力室、电气室、冷却室和辅助室等。司 机室布置在一端或两端，嘹望视线开阔，外形根据需要可设计成流线型。罩式车体一 般为车架承载，结构简单紧凑、造价低、车体易于拆装，便于机车设备的安装和维修； 这种机车一般走道设在车罩外。司机室通常布置在机车的一端或中部，高于并宽于车 体其他部分以便司机嘹望。司乘人员检查和维修机器设备时必须打开车罩侧面的门【1 。 3 2 机车车体组成及模块划分 该调车机车采用单司机室外走廊罩式结构。机车在车底架的上部布置有七个室， 分别为辅助室、司机室、辅变柜和电器柜室、主变室、主发室、柴油机室、冷却室， 各室采用模块化设计，各部分分开设计制造，方便机器设备的安装和维修，同时也方 便了车体的制造。车体三维实体模型如图3 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 图3 - 1车体结构三维实体图 ( 1 ) 车架 车架是机车承载的主要部分，几乎所有的力都通过车架传递，因此机车对车架的 强度和刚度要求极高。该机车车架采用双箱形中梁结构，由中梁、车架端部一、车架 端部二、整体承载式燃油箱、侧脚蹬以及扶手等组成。前后端梁用于安装车钩缓冲器 和排障器；左右中梁贯穿车架前后，直接支撑在转向架橡胶旁承之上，为机车之主要 承载结构。车底架主要承载材料是q 4 2 0 e 、q 4 6 0 e 。底架结构三维实体模型如图3 2 所 示。 图3 2车体结构车架三维实体图 其中车架端部一和端部二前后对称，分别由左右箱形梁、左右起重梁、横梁、牵 引销装配和钩缓安装座装配等组装而成。箱形梁由2 0m m 厚的上下盖板和8r l l n l 厚的 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 左右侧板焊接成箱形；起重梁也用2 0m m 厚的钢板焊接而成。左右箱形梁和起重梁设 计都有管路线缆穿线孔用以方便线缆管路的布置。横梁的上下盖板采用1 2m m 厚的钢 板，中间搭配1 2m m 厚的筋板呈w 形排列。车架端部立体图见图3 3 右籍艨 防 图3 3 车架端部一立体图 其中燃油箱装配是整个车架甚至整个机车的重要组成部分。它既是燃油箱和柴油 机安装的地方，又是受力最复杂、最集中的地方。为了缓解这个部位车架承受的集中 载荷，该调车机车采用燃油箱参与承载的方式，又称整体承载式燃油箱。该种燃油箱 装配左右中粱采用箱形梁结构，同时箱形梁中部中下之间与中间油箱相连接。油箱上 方是以弯板和小横梁组成的浴盆结构，用以避让坐落在两中梁间的柴油机底壳及装盛 机油。中粱上开有加油口接口，通过加油管从车架上部加油口加入燃油；同时设计了 一个放气小孔，通过通气装置可以控制燃油箱内部气压。燃油箱主体部分前后均设计 有检修盖，便于燃油箱内部的检修。燃油箱下部设置了一个放油孔。整个燃油箱装配 用较厚的钢板焊接而成，同时配备了一定数量的隔板增加强度，能满足机车承载的需 要。车架中部装配立体图见图3 4 。 图3 。4 车架中部装配立体图 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 i i i ( 2 ) 司机室 司机室钢结构采用模块化设计，由前后墙、左右侧墙和司机室顶盖五部分组焊而 成。司机室前后墙、左右侧墙e f t 5 m m 厚钢板弯成的u 型梁焊接成钢架结构，再表面覆上 2 5 m m 厚钢板。两侧墙开有通风及嘹望窗，前墙左侧后墙右侧及中部开有嘹望窗。后墙 中部窗下有通向辅助室的壁橱，用于放置微波炉、灭火器、水壶等物品。前墙有两个 车门，中间的门通向电器柜，辅变室，右侧的门通向外走廊，后墙只有一门在左侧， 通向辅助室外走廊，司机室顶盖预留有空间放置空调。司机室焊接在车架后部由6 m m u 型梁组成的司机室底架上。 ( 3 ) 辅助室( 又称鼻锥) 辅助室采用钢结构加蒙皮结构，由后墙左右侧墙和顶盖组成，后墙与左右侧墙焊 接在一起焊接在车架上，左右侧墙同时焊接在司机室后墙上，顶盖搭在后墙与左右侧 墙上。后墙以及左右侧墙都有门。 ( 4 ) 冷却室 冷却室钢结构是冷却系统中其他部件的安装支架。它由5 m m 厚u 型钢对焊成的立 柱及带减重孔的横梁、斜撑组成，其中大部分横梁、斜撑与立柱以螺栓连接，但是它 们对冷却室刚度起主要影响作用。 ( 5 ) 主变室、辅变柜、电器柜 主变室、电器柜为外购件。其中主变室为蒙皮框架钢结构。电器柜以金属扣扣在 钢结构底架上。辅变柜为由u 型钢焊接成的简单钢结构与2 m m 厚的墙板组焊而成。 ( 6 ) 主发室和柴油机室 主发室和柴油机室均为罩壳结构，与车架采用螺栓连接。 3 3 本章小结 本章介绍了机车的主要部件组成和结构型式。通过结构的明晰，可以更好的进行 车体刚度和强度的计算分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 第4 章车体结构静强度计算分析 静强度分析除研究承载能力外，还包括结构抵抗变形的能力( 刚度) 和结构在载 荷作用下的响应( 应力分布、变形形状、屈曲模态等) 特性。由此可见，任何结构设 计都要以静力学分析为基础，这样才能有更合理的结构设计 1 0 】。通过该分析，可判断 结构承受载荷的能力以及载荷对其造成的影响。 4 1 有限元建模及载荷工况 4 1 1 车体结构有限元建模 该机车车体采用底架承载结构，故只对车架进行有限元力学模型的建立。通过对 车架承载结构特点和所承受的载荷分析：结构具有对称性，载荷具有对称和反对称性， 所以采用1 2 车架结构进行分析。同时进行了合理的简化处理。简化内容包括删去与分 析无关的某些零件，忽略个别零件的细小几何特征等。 图4 1 为车架的几何模型，图4 2 a 4 2 h 为车体的有限元模型，力学模型中共划分 了1 3 6 6 7 6 个节点，6 2 1 2 4 个单元。 图4 1 车体的有限元几何模型 图4 2 a 车体的有限元模型( 俯视图) 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 图4 2 b 车体的有限元模型( 仰视图) 图4 2 c 车体的有限元模型( 中部) 图4 2 d 车体的有限元模型( 端部) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图4 2 e 燃油箱的有限元模型 图4 - 2 f 车体底架牵引梁部分有限元模型 d0 。f i 0 00 01 啪f m m 2 5 00 0 7 5 。 图4 2 9 车体底架旁承座有限元模型 4 1 2 车体材料特性 图4 2 h 底架中梁有限元模型 车架主要材料选用钢材q 4 2 0 e ，其主要的材料特性： 弹性模量：e = 2 0 6 1 0 1 1 p a 泊松比：l a = 0 3 密度 ：7 8 x 1 0 3 屈服极限：s 。= 4 2 0 m p a 强度极限：s b = 5 2 0 m p a 4 1 3 车架载荷 根据t b t 2 5 4 1 1 9 9 5 内燃、电力机车车体静强度试验方法，车架的主要考虑载荷 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 为垂向载荷、纵向压缩载荷、纵向载荷、救援载荷和扭转载荷，具体计算如下： ( 1 ) 垂向载荷 机车运用时，作用在车体上的垂向载荷由垂向静载荷和动载荷组成。其中动载荷 是由于运行中车体垂向振动产生的附加垂向载荷，通常其系数取0 3 。因此车体垂向计 算载荷为垂向静载荷的1 3 倍。 垂向静载荷包括柴油机、主辅发电机、总风缸、蓄电池和箱、冷却室( 包括冷却 室钢结构、冷却风扇及其驱动装置、冷却室侧墙等) 、空气制动柜、空气制动机、前后 车钩、前后排障器、司机室、通风机和滤清器、牵引电机通风机、变流室、辅助室、 柴油机室( 含空滤消音) 、操纵台、压铁等车内所有设备和上部车体的重量等以及底架 白重、各种管道的重量和燃油。各种设备重量按集中载荷处理，管道、燃油和上部车 体的重量按均布载荷处理。 ( 2 ) 纵向压缩载荷 纵向压缩计算载荷为相向作用于底架两端牵引梁内从板座处的3 0 0 0 k n 纵向压缩力 和垂直载荷工况的全部垂直载荷。全部垂直载荷需乘动载系数k d ，取k d = 1 3 。 ( 3 ) 纵向拉伸载荷 纵向拉伸计算载荷为相向作用于底架两端牵引梁内从板座处的2 5 0 0 k n 纵向压缩 力和垂直载荷工况的全部垂直载荷。全部垂直载荷需乘动载系数k d ，取k d = 1 3 。 ( 4 ) 救援载荷工况 救援计算载荷为在一端旁承附近额外施加2 5 0 k n 的转向架重量，以及垂直工况的 全部垂直载荷。 ( 5 ) 扭转载荷工况 扭转计算载荷为在两端旁承增加一个额外的扭矩，大小为4 0 k n m ，同时保持垂直 工况的全部垂直载荷。 4 1 4 车架计算工况 与静强度计算载荷对应的工况有5 种，它们是垂直载荷工况、纵向压缩载荷工况、 纵向拉伸载荷工况、救援载荷工况和扭转载荷工况 2 3 。 工况( 1 ) ：垂直载荷约束为作用在旁承和中心垫上的弹性约束； 工况( 2 ) ：纵向压缩载荷约束为作用在旁承和中心垫上的弹性约束； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 工况( 3 ) ：纵向拉伸载荷约束作用在旁承和中心垫上的弹性约束； 工况( 4 ) ：救援载荷约束作用在一端旁承和中心垫上的弹性约束； 工况( 5 ) ：扭转载荷约束为在两端旁承增加一个额外的扭矩，大小为4 0 k n m ，同 时保持垂直工况的全部垂直载荷。 4 2 计算结果分析 4 2 1 车体强度和刚度评定 车体强度方面，根据车架所用材料的自身特性，结合t b t 2 5 4 1 2 0 1 0 内燃、电力 机车车体静强度试验方法中的要求，得出下列结论： 垂直动载荷工况下的许用应力： s - o 6 s 。= 0 6 4 2 0 = 2 5 2 m p a ： 扭转载荷工况下的许用应力： s _ 0 6 s 。= 0 6 4 2 0 = 2 5 2 m p a ； 其他工况下的许用应力： s _ s 。= 4 2 0 m p a 。 车体刚度方面，垂直载荷工况并考虑动载系数计算时的底架中梁中部最大下挠与 转向架中心距的比值小于1 1 0 0 0 即可。 4 2 2 结果分析 ( 1 ) 垂直载荷工况 前、后旁承的中点作为模型计算的支撑点，图4 3 为垂直载荷工况下车架的垂向 变形云图。图中可见，两支撑点处的变形值为3 0 2 8 9 m m 和2 7 7 8 7 m m ，取均值 2 9 0 3 5 m m ，最大下挠产生在底架中部，图中变形值为3 9 6 3 4 m m ，故最大挠度值为 w m a 】( 一3 9 6 3 4 + 2 9 0 3 5 = 一1 0 6 m m 。 垂直载荷工况下底架的最大应力产生在柴油机座附近，具体位置如图4 4 a 所示， 最大值为s m a 。- - - 8 1 1 8 m p a 。图4 4 b 为最大应力处局部应力图。图4 4 c 为靠近i 端司机 室，中梁截面过渡处上盖板的应力分布，局部最大应力为7 0m p a 。图4 4 d 为靠近i 端 司机室，中梁截面过渡处圆弧板的应力分布，局部最大应力为7 2m p a 。图4 4 e 为油箱 底部结构的应力分布，局部最大应力为4 7m p a 。图4 4 f 为垂直载荷工况下中梁过渡处 侧板的应力分布，局部最大应力为7 0 m p a 。各部位的最大应力值小于许用应力2 5 2 m p a 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 0 亡= = = = = = = 8 e + 0 0 3 m ( n 1 ) 4 e + 0 0 3 图4 - 3 垂直载荷工况下车架的变形云图 0 i _ i i = = 当0 3 ( m m ) 4 e + 0 0 3 图4 4 a 垂直载荷工况下车架的应力分布图 5 0 00 0 图4 4 b 最大应力处局部图应力分布 j _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图4 4 c 局部应力分布 图4 4 d 局部应力分布 00 0 0 0 00 0 ( m m ) i = = 二 5 0 00 0 图4 4 e 局部应力分布 w x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 量舅旨曼皇量量皇皇量皇置量曼量量曼量寡蔓晕量喜皇寰鲁量鲁皇吕皇量皇量蔓曼蔓皇曼皇量i 罾量量皇舅舅量罾皇罾置量舅量喜璺曼蔓曼曼量量量量量量量量曼皇皇 图4 4 f 局部应力分布 ( 2 ) 纵向压缩载荷工况 纵向压缩载荷工况下车架垂向的变形云图见图4 5 。从图中可见，最大下挠产生在 端部，经计算可知其值为w m a x = - - 4 9 5m m 。纵向压缩工况下车架的最大应力产 生在与i i 端旁承相连接的下盖板处，其值为s m 舣= 3 9 9 1 7 m p a ，具体见图4 6 a 所示。图4 6 b 为最大应力点附近局部应力分布图。这部分应力水平较高。纵向压缩 工况下i i 端旁承上盖板附近应力值较大，局部最大值为s = 2 4 4 m p a ，见图4 6 c 所示。 在压缩工况下，经过优化后，牵引梁下盖板处应力水平满足强度要求，局部最大应力 约为s = 3 6 9m p a ，见图4 6 d 所示。在压缩工况下，牵引梁腹板处应力分布见图4 。6 e 所示，局部最大应力约为s = 2 3 6m p a 。在压缩工况下，中梁端部侧板下部应力水平较 高，局部最大应力约为s = 2 6 3m p 8 ，见图4 6 f 所示。 圈_ 2 8 2 1 5 7 4 1 1m a 。 h 一3 5 8 7 9 h 一4 30 4 8 h 5 0 2 17 h 一5 7 3 8 6 韪驴嚣p 萄 。 l o 9 e + 0 0 3 ( m m ) 、。_ 【= = = = = = 二二= 45 e4 - 0