（机械工程专业论文）ssj3型交流传动电力机车车体钢结构及有限元分析.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 我国铁路里程少，客、货共线，运输强度、密度居世界之首。必须提高货运列车的 速度，才旁2 部分解决货运歹l j 车和客运歹1 j 车之间争夺运能的矛盾。目前，各国都在加强铁 路机车车辆的技术改造，采用交流传动电力机车已是发展的必然方向。s s j 3 型电力机车 的研制成功意味着我公司的电力机车制造水平居于我国领先地位，也标志着我国电力机 车的发展水平接近世界发达国家的水平。 本文针对s s j 3 型交流传动电力机车高速重载的特点和技术要求，对s s j 3 型交流传 动货运电力机车进行了车体钢结构设计，并分析了各大部件的结构特点；我们此次研制 过程中，打破了传统的设计手段，为了保证产品使用的可靠性，缩短设计周期，对研制 的产品，前甥进行有限元仿真，对车体钢结构进行静强度计算，同时对关键的零部件强 度也进行计算分析，并通过计算优化产品结构，保证产品满足设计要求；后期对试制产 品进行静强度试验，进一步对有限元分析结果进行确认。 s s j 3 型交流传动货运电力机车是新一代大功率交流传动货运电力机车，该车借鉴国 内、外交流机车的先进技术，并结合了我公司的优势，解决了针对高速、重载机车车体 钢结构强度不足的问题；采用计算机辅助工程分析( c a e ) 技术，为公司未来的新产品 开发积累了一定的经验，提高了公司整体的技术力量。同时也带动了我国铁路行业技术 水平提高。 关键词：钢结构设计；强度分析；有限元仿真；电力机车 s s j 3 型交流传动电力机车车体钢结构及有限元分析 c a r b o d y s t e e ls t r u c t u r ea n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o fs s j 3a ct r a n s m i s s i o ne l e c t r i cl o c o m o t i v e a b s t r a c t d u et ot h es h o r t e rt r a c k a g ea n dt h es a m el i n es h a r e db yb o t hp a s s e n g e rl o c o m o t i v ea n d f r e i g h tl o c o m o t i v e , c h e e s er a i l w a yh a sb e c o m ew e b - k n o w nf o ri t sh e a w jt r a n s p o r t a t i o na n d b i gd e n s i t yi nt h ew o r l d a c c e l e r a t i n gt h es p e e do ff r e i g h tl o c o m o t i v ei sam a s tt os o l v et h e p r o b l e mo fc o n f l i c t i o ni nt e r m so ft r a n s p o r t a t i o nc a p a c i t yb e t w e e nt w ok i n d so fl o c o m o t i v e s n o w a d a y sm a n yc o u n t r i e sa r ei m p r o v i n gt h e i rt e c h n o l o g yf o rr a i l w a yl o c o m o t i v ea n dr o l l i n g s t o c k u s i n ga ct r a n s m i s s i o ne l e c t r i cl o c o m o t i v ei sa r ti n e v i t a b l em o m e n t n mi nt h ev i e wo f d e v e l o p m e n t s s j 3h e i g h te l e c t r i el o c o m o t i v e ss u c c e s s f u ld e v e l o p m e n tr e p r e s e n t s o u r c o m p a n y sl e a d i n gp o s i t i o no fe l e c t r i cl o c o m o t i v em a n u f a c t u r i n gi nc h i n aa n da l s om a r k st h a t c h ，se l e c t r i cl o c o m o t i v em a n u f a c t u r i n gl e v e li sr e a c h i n gt h a to fd e v e l o p e d c o u n t r y s s j 3a ct r a n s m i s s i o nf r e i g h te l e c t r o - l o c oc a x b o d ys t e e ls t r u c l u r ed e s i g na n di t sa n a l y s i s o f e a c hp r i m a r ya s s e m b l ya r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt oi t sh i g h - s p e e dc h a r a c t e r i s t i c a n dt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s w ea d o p t e df e as i m u l a t i o ni n t ot h ed e s i g no ft h i sp r o d u c ti n t h ee a r l i e rs t a g e t oc n s n r et h eu s i n gr e l i a b i l i t yo ft h i sp r o d u c ta n dr e d u c et h ed e s i g np e r i o d ， w em a d et h es t a t i cs t r e n g t hc a l c u l a t i o no fa 曲s t e e ls t r u c t u r e ，a lt h es a m et i m e ，m a k e s t r e n g t hc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fk e yc o m p o n e n t s a n da d v a n c e st h ep r o d u c ts t r u c t u r eb y c a l c u l a t i o na n dm a k ei tt om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ；t h e r ew i l lb eas t a t i ci n t e n s i t yt e s t i n g f o rt h et r a i lp r o d u c tl a t e ra n da l s oaf u r t h e rc o n f i r m a t i o no ft h ef e a a n a l y s i sr e s u l t s s s j 3a ct r a n s m i s s i o ne l e c t r i cf r e i g h tl o c o m o t i v ei san e w g e n e r a t i o no fh i g hp o w e ra c l l a n s m i s s i o ne l e c t r i cf r e i g h tl o c o m o t i v e ，a n di tt a k e st h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya sr e f e r e n c e f r o mb o t hd o m e s t i ca n da b r o a da n da l s oc o m b i n e dw i t ho u rc o m p a n y sa d v a n t a g e i ts o l v e d t h ep r o b l e mo fn o n s u f f i c i e n tc a r b o d ys t e e ls t r u c t u r es t r e n g t hf o rh i g hs p e e da n dh e a v yl o a d l o c o m o t i v e ；w ca d o p t e dc a et e c h n o l o g yt oa n a l y z et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r o d u c t , t h a ta c c u m u l a t e ss o m ee x p e r i e n c e sf o rt h ef u t u r en e wp r o d u c t sa n da d v a n c e st h ew h o l e t e c h n o l o g yp o w e ro fo u rc o m p a n y , a n db r i n g st h ed o m e s t i cr a i l w a yt e c h n o l o g yt oah i g h e r s t e d k e yw o r d s ：s t e e ls t r u c t u r ed e s i g n ；s t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n te m u l a t e ； e l e c t r i cl o c o m o t i v e 独刨性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：乏遂日期：磁竺舟 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 丛趁 訾阻 泄年上月上 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 一个企业要得蓟生存和发展，就得不断推出适合社会需求的新产品。杌车车辆工业 也不例外。在机车车辆技术不断创新的年代，更应跟上发展的步伐。 1 9 9 7 年、1 9 9 8 年我公司开始批量生产d f 4 d 型客、货机车( 今年累计将达到7 5 2 台) ，占据第一次、第二次铁路大提速市场的7 0 以上份额：2 0 0 0 年1 0 月公司又推出 了d f 4 d 型准高速客运机车，时速达1 7 0 k m h ，为铁路客运提速提供了主型机车；2 0 0 0 年1 2 月，公司首台s s 4 型电力机车下线，使公司的电力机车生产实现了零的突破，2 0 0 1 年s s 4 型电力机车进入小批量生产，该型机车今年已累计生产了1 4 0 台，正为铁路货运 重载提供动力。电力机车的试制与批量生产既形成、造就了一支电力机车开发队伍，又 扩大了部分生产车间的生产主业；2 0 0 2 年，集团公司又立项开发s s 7 e 型时速1 7 0 k m h 的客运电力机车，该型机车在技术性能上优于s s 4 型电力机车，在开发方式上，采用联 合设计模式，成立了集团公司领导下的研发中心、大连公司与大同公司的联合开发组， 总体部分借鉴了s s 7 d 、s s 9 型电力机车设计，走行部分借鉴了d f 4 d 型准高速客运机 车的成功设计。该机车2 0 0 2 年试制下线，成为铁路客运提速的又一主型车之一该机 车的开发，为我公司的技术开发队伍及生产水平的提升夯实了基础 我国铁路政策规定；主要干线、运煤专线将全部电气化，以提商铁路的运能。我公 司是生产内燃机车的主干工厂，在铁路迅猛电气化的时代，内燃机车的产量不能大量增 加，调整产品结构，满足市场急需，要求我们必须在电力机车的事业上做出新的努力和 贡献【1 1 。 高起点、高标准研发新型电力机车产品，以满足铁路形势发展、运输需求，这在公 司决策层达成了共识 面对我国铁路发展的形势，研制一种具有怎样性能的电力机车来适应铁路货运运输 的发展? 为此，必须找准“定位”。在公司内部技术发展研讨会上，老领导、专家分别 就客运与货运、交流与直流传动、速度和功率等级、6 轴与8 轴等问题上进行了论证、 分析，最终决定以发展交流传动货运电力机车作为方向，并定位于最高速度1 2 0 k m h 、 轴功率1 2 0 0 k w 、c 0 0 0 轴式、轴控方式。 1 2 世界铁路的发展趋势 铁路作为陆上运输的主力军，在长达一个多世纪的时间里居于垄断地位。但是自本 世纪以来，随着汽车、航空和管道运输的迅速发展，铁路不断受到新的浪潮的冲击。 为了适应社会和经济发展的需要，适应货主和旅客安全、准确、快速、方便、 舒适的要求。各国铁路纷纷进行大规模的现代化技术改造，同时改革运输组织工作，积 s s j 3 型交流传动电力机车车体钢结构及有限元分析 极采用高新技术，在重载、高速运输和信息技术方面取得了新的突破。再加之现代管理 和优质服务以及铁路的区域联网、洲际联网，使铁路增添了新的活力，在陆上运输中仍 继续发挥着骨干作用，在现代化运输方式中占着重要的地位。 各国铁路客运发展的共同趋势是高速、大密度，扩编或采用双层客车。采用动车组 和电力机车牵引旅客列车是实现客运高速化的重要条件。轻轨交通将倍受青睐，因为它 是改善城市交通环境、最富有生命力的一种交通工具；市郊铁路与地下铁道、轻轨铁路 紧密合作，共线、共站，共同组成大城市的快速运输系统，这是各国解决人口密度较大 地区客运繁忙的有效措施。在未来的铁路发展中，大城市快速运输系统将同全国铁路网 连接，紧密配合，形成客运统一运输网。 在货物运输方面，集中化、单元化和大宗货物运输重载化是各国铁路发展的共同趋 势。重载单元列车是用同型车辆，固定编组、定点定线循环运转，首先用于煤炭运输， 后来扩展到其他散装货物，对提高运能，减少燃油消耗，节省运营车、会让站、乘务人 员等都有显著效果，经济效益显著，如美国铁路货运量有6 0 是由单元列车这种方式完 成的。俄罗斯曾试验开行了重量为4 3 4 0 7 吨的超长重载列车，列车由4 4 0 辆车组成，全 长6 5 公里，由4 台电力机车牵引，情景十分壮观。 铁路现代化的目的是为了快速而准确地运送旅客和货物。安全、迅速、节省包装， 简化手续，明显的经济效果促进各国集装箱运输的发展，发展的趋势是大型化、标准化。 现代铁路的列车性能已趋于能源和维护费用的极限。旅客列车的速度受到安全的约 束，货物列车的重量也已达到桥梁和线路的活载极限。铁路的软件革命即改进管理与控 制，可使铁路的技术设备发挥更高效能。由电子计算机、光导纤维、数字技术构成的信 息系统，将改变传统的通信、信号两个领域的关系。发展的趋势是以计算机联锁，取代 目前的电气一机械联锁。另外，自动排列进路，可使密集列车运行作业最优化，并使调 度员摆脱人脑速度和能力的限制【棚l 。 在电气化铁路上，采用最高用电量控制技术，即在峰值时，可自动地暂时切断采暖 等用电，以保证正常牵引用电。目前，日本及西欧各国大部分电气化铁路都采用了远动 系统。这种系统的发展过程是：从有接点的继电系统，到无接点的半导体电子系统，直 至电子计算机控制系统。 在硬件方面，各国都在加强铁路机车车辆的技术改造。随着内燃机车代用燃料的出 现，对传统内燃机车发动机重新优化已成必然，目前，大部分电力机车采用直流串励电 动机，这种电机尽管有良好的牵引特性，但易发生空转。采用交流电力机车已是发展的 必然方向。 随着既有电力机车的更新换代和高速铁路的蓬勃发展，干线电力机车的研制已从直 流传动转向交流传动。2 0 世纪9 0 年代，欧洲、日本等主要机车制造厂商几乎已停止了 直流传动电力机车的生产，交流传动电力机车已成为世界电力机车发展的主涮2 l 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 国内交流传动电力机车的发展状况 在铁路牵引动力中，电力机车具有其他机车无可比拟的优势。中国从本世纪3 0 年 代开始引进电力机车。1 9 5 8 年，中国研制出第一台电力机车。1 9 6 1 年，中国第一条电 气化铁路宝凤线( 宝成铁路宝鸡至风州段，9 3 k m ) 建成通车。中国电力机车在4 0 多年 的风雨中不断发展进步，前后共经历了三个阶段，开发了四代产品，累计研制1 7 种机 车共生产2 5 0 0 多台。第一阶段，1 9 5 6 1 9 6 8 年，是中国电力机车早期引进仿制。1 9 5 6 年，中国政府提出：要迅速地、有步骤地研制使用电力机车。1 9 5 7 年，开始研究设计 电力机车，1 9 5 8 年仿制出第一台电力机车，此后经过多次改进，到1 9 6 8 年，6 y 1 型改 名为s s l 型，是第一代机车，开始小批生产。第二阶段，1 9 6 8 1 9 8 5 年，是中国电力 机车艰难的成长阶段。第一代产品s s l 型成批生产，自主研制成功第一代机车s s2 型， 第二代机车s s 3 型，第三代机车s s 4 型。第三阶段：自1 9 8 5 年至今，是中国电力机车 迅速发展阶段。基本形成了较为完整的4 、6 、8 轴货运、客运系列，1 9 8 4 1 9 8 8 年间 中国铁路投资政策倾斜机车车辆工业。1 9 8 6 年中国铁路牵引动力政策改为“大力发展电 力牵引，合理发展内燃牵引”以及发展“重载高速”机车。此期间株洲工厂等工厂和株洲 所等科研单位得以大规模改造，新增很多先进专用设备和试验检测设备，引迸大量先进 技术1 3 】。1 9 8 5 年和1 9 8 6 年进口8 k 和6 k 机车的同时，引进了大量先进技术。经过消化 吸收先进技术，结合中国电力机车实际和优秀的传统结构，先后自主研制成功第三代机 车1 1 种。同时还研制成功了第四代机车a c a 0 0 0 型交流传动机车，使中国电力机车研 制技术水平得到了迅速提商。第二代机车和第三代多种机车成批生产1 4 】。 a c a 0 0 0 交直交流电力机车原型车，1 9 9 6 年6 月中国白行研制的第一台交流传动 电力机车诞生，标志着我国电力机车有望从直流传动向交流传动跃进，为赶上世界先进 水平打下了基础。交流传动机车可靠性高、维护检修少、上线运用率可高达9 5 。与交 ，直流传动机车相比，在相同编组的情况下，机车自身电耗降低1 5 2 0 ，网侧损耗降 低3 0 - - 4 0 ，机车寿命期成本( 静态) 可降低3 0 - 5 0 ，并且全寿命期总运用里程高 出1 1 左右，同时还具备较大的扩充编组的潜能。机车无论前进、后退、牵引、制动均 不需要机械转换开关；主电路简化，有完备的微机控制系统，司机室有反映各种信息、 部件工况和故障诊断检测显示荧屏。机车的最大时速1 2 0 公里，轴式c 0 - c 0 。 d j 型交流传动高速客运电力机车，2 0 0 0 年制造。具有优异的运行性能，节能效率 高、通讯干扰小、良好的可靠性与可维修性和全寿命成本低等优点。其牵引、制动工况 功率因数接近1 ，比传统相控机车接触网电流可降低2 0 ，功耗减小5 0 ，牵引变电站 装机容量可减荷。采用再生制动，可反馈能量1 0 4 0 ，且反馈电能的品质好。由于其 采用了模块化结构，维修更换方便，诊断系统使维修时间缩短，其维修费用为相控机车 的三分之一，运营费用为相控机车的7 0 。交流传动高速客运电力机车的通用性、高性 能，使机车牵引、制动特性可覆盖普速( 1 0 0 k m h ) 、准高速( 1 6 0 k m h ) 、高速( 2 0 0 k m h ) 3 s s l 3 型交流传动电力机车车体铜结构及有限元分析 运用范围，是快速客运网牵引动力的最佳选择。机车持续功率4 8 0 0 千瓦，最高速度每 小时2 2 0 公里旧。 d l j l 型交流传动货运电力机车是由两节完全相同的4 轴电力机车通过内重联环节连 接组成的8 轴重载货运电力机车。每节车设有一个司机室，为一完整系统。两节车重联 处有中间走廊连通，可以很方便地从一节车走到另一节车。机车还具有外重联控制功能， 司机可以在一个司机室对两台机车进行控制。转向架采用低牵引拉杆、二系悬挂采用高 桡度弹簧；基础制动采用轮盘制动。车体为焊接式整体承载结构；机车采用交直交电 传动技术，每节车配装一台水冷g t o 变流器，给四台三相异步动机供电；由西门子 s i b a s 3 2 系列产品构成的c c u 、t c u 、k l i p 、d i a g n o s i s d i s p l y 、m v b 、w t b 等 组成分步式计算机控制、通信和诊断系统。空气制动系统采用d k - 1 电空制动系统，电制 动采用再生制动。该型机车为株洲电力机车厂与西门予公司的合资公司采用欧洲标准为 中国制造的新型货运电力机车，已生产出的2 0 台( 4 0 节) 机车额定功率为6 4 0 0 k w ， 该机车在设计时已考虑了进一步提高机车功率的可能性，即在用户需要的情况下，机车 额定功率可扩容至8 0 0 0 k w 。机车功率持续6 4 0 0 k w ，最大速度1 2 0 k m h ，车长2 x 1 7 6 1 6 m i l l ，轴式2 ( b o b o ) ，电流制为单相工频交流。 d j 2 型交流传动客运电力机车是我国第一台具有自主知识产权的商用交流传动电力 机车。主要用于既有干线客运牵弓l 和高速专线牵引，并能覆盖普速、快速、高速区段的 通用型客运电力机车。它具有粘着好、恒功范围宽、轴功率大、功率因素及效率高、谐 波干扰小、维修率低、节省电能和运营费用等优点。机车功率持续4 8 0 0 k w ，最大速度 2 0 0 k m h ，车长2 x 1 7 6 1 6 舢，轴式b o b o ，电流制为单相工频交流。 随着货物列车运行速度和牵引重量的提高，国内现有电力机车已经难以满足铁路发 展的要求。 近年来随着我国国民经济以及铁路高速重载技术的迅速发展，尤其，我国加入w t o 以后，这都为我们与世界高、精端技术的交流与合作提供了一个平台，我们就利用这一 机遇进行我国新一代大功率交流传动电力机车的研制与开发。 1 4 研发大功率交流传动货运机车的意义 大功率交流传动货运电力机车研制有以下的理论意义和应用价值： 1 ) 、市场经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对运输快捷、便利、舒适的 要求日益提升，而公路、水路、和航空业的发展，为客、货运市场提供了更多的选择机 会，铁路运输业经营面临严峻挑战的时刻。 2 ) 、我国铁路从1 9 9 7 年4 月1 日进行第1 次列车提速以来，至2 0 0 4 年4 月1 8 日 己进行了5 次列车大提速，目前大部分主要干线客运列车的最高速度已经达到1 4 0 k m h 以上，货物列车也在开行提速、重载方面朝着“压缩中转时间，压缩站停时间，提高旅 大连理工大学专业学位硕士学位论文 行速度，实现内涵扩大再生产”的目标迈进，较好的解决了运能和运量日益脱出的矛盾 【6 】。 3 ) 、5 次列车提速的实践证明，提速更好的适应了国民经济和社会发展的需要，既 为社会开创了效益，也为铁路本身增加了收益而真正的意义还在于：大大加快了铁路 技术创新与进步的步伐每一次铁路大提速，技术创新都迈上了一个新的台阶，同时， 技术进步的加快更为实施提速提供了强大的技术进步l 一。 4 ) 、我国铁路近几年的方针是客运提速、货运重载但是，我们应该看到：中国铁 路是一个高强度运输系统，用仅占世界铁路6 的营业里程，完成了世界铁路2 4 的换 算周转量。由于我国铁路里程少，客、货共线，运输强度、密度居世界之首，基于运能 的制约，按目前的统计，为将旅客列车时速提速提高到1 4 0 1 u n h 以上，每开行1 对提速 客车至少要减少或影响3 对货运列车。所以，在提高客运列车速度的同时必须兼顾货运 列车的速度、密度、重量等因素。即在客、货分流未能完全解决之前，在开行重载货运 列车的同时，必须提高货运列车的速度。才能部分解决货运列车和客运列车之间争夺运 能的矛盾p j 。 总之，随着国民经济持续、健康、快速、协调地发展，铁路货物运输市场的需求也 将进一步的增长，并面临着更加严峻的挑战。要解决这一“瓶颈”问题，可以在加快铁 路建设、挖掘运输潜力等方面做文章，从真正意义上去提高运输效率，扩大运输能力， 我公司作为一个铁路机车制造企业，通过分析国内铁路市场，凭借敏锐的嗅觉，提前扑 捉到了这一发展机遇，为了铁路货运重载、提速的需要，开发最高速度1 2 0 k m h 的大功 率交流传动货运电力机车，满足铁路运输的发展需求，同时，也尽最大努力满足国民经 济和社会发展的需求1 4 l j 1 5 合作开发大功率交流传动电力机车方案的确定 从1 9 9 9 年开始，我公司与日本东芝公司( 1 d s h m a ) 开始技术合作，首先在大连 市城市轨道车辆项目上取得了成功。为了提高我公司大功率机车交流传动的技术水平， 在合作的初期，就与该公司商定，将电力机车交流传动技术作为城轨项目合作的一个不 可分割的部分，准备引进日本东芝公司在交流传动技术和机车制造工艺方面的先进技术 和经验。 为慎重起见，我公司从2 0 0 1 年开始对最高速度1 2 0 k m h 交流传动货运电力机车进 行了大量的调查、研究和论证，结论认为，日本东芝公司在大功率机车的交流传动技术 上也有实力和经验。故进一步确定同日本东芝公司合作的发展战略，走“引进、消化、 吸收”的发展道路。 为了适应铁道部铁路跨越式发展的总体要求，我公司提出要提升设计理念，以高起 点、高标准的要求，加强与日本东芝公司技术合作。合作的主要目标为： s s j 3 型交流传动电力机车车体钢结构及有限元分析 1 ) 、在机车控制技术、交流传动技术、电传动系统设计等方面与日本东芝公司合作， 并采用他们的成熟技术： 2 ) 、利用机车粘着控制技术、轴重转移补偿技术来尽可能大的提高机车的起动牵引 力和持续牵引力，以适应重载货运机车的要求；并在粘着利用方面进行积极的尝试和探 索： 3 ) 、提高部件的可靠性，以提高整车的可靠性。为此在设计过程中，始终贯穿机车 高可靠性要求、从减少机破和临修、延长机车各修程的公里数入手，减少机车运行费用； 4 ) 、尽可能选用国内、外成熟技术，主要部件采用国际标准部件： 5 ) 、机车设计时，同步考虑2 0 0 k m h 客运机车方案，为开发客运机车作好技术储备。 2 0 0 1 年1 2 月，我公司与日本东芝公司经过1 2 次技术会谈后签定了关于共同开发6 轴c 0 - c o 交流传动货运电力机车的合作协议书。 该机车由大连机车车辆有限公司担任总体设计，并生产车体、转向架、制动系统及 进行机车总装和调试；由日本东芝公司设计并提供主变流器、辅助变流器和微机控制系 统。 1 6 本文的研究内容 本文主要阐述了s s j 3 型交流传动货运电力机车车体钢结构设计、静强度计算方法 和试验以及关键零部件的有限元分析等，主要包括以下几个部分： 1 ) 、根据市场调研和电力机车高速重载的特点，s s j 3 型交流传动货运电力机车车 体采用流线型外形，为框架式整体承载结构。车体材料主要采用q 3 4 5 e 低合金高强度 结构钢、0 9 c u p c r n i 耐候钢板和钢板压型件组焊构成。 2 ) 、由于电力机车的重量比内燃机车重量小很多，为满足货运机车重载牵引的需 要，需提高机车的轴重，从而获取足够的粘着牵引力，同时对车体钢结构受力状况也有 一定的影响，本文还对车体配重方案进行研究。 3 ) 、车体静强度是车体钢结构研制过程中最关键的技术数据之一，它直接关系到 机车的使用和运行安全性能。s s j 3 型大功率交流传动货运电力机车是高速重载车，因此， s s j 3 型机车对静强度的要求比我公司其他型机车的要求都要高，因而车体静强度理论计 算对车体钢结构的研制起关键性指导作用，同时对试制的首台样车进行静强度试验，保 证机车车体设计参数的可靠性。 4 ) 、为了保证机车使用的安全性和可靠性，关键零部件的强度要求也是至关重要的， 本文还对s s j 3 型交流传动货运电力机车的主变压器的安装座和各减震器座等进行了有 限元分析。 一6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 车体钢结构 2 1 机车总体概述 s s j 3 型电力机车是由中国北车集团大连机车车辆有限公司和日本东芝公司联合研 制的六轴大功率交流传动货运电力机车。该机车能够满足我国铁路重载、快捷货物运输 的需要。在研制过程中本着“高起点、高标准、造精品车”的目标，大量采用了国内外 成熟、可靠的新技术，极大地促进了电力机车设计水平的提升，同时我国电力机车的质 量也跨上了一个新台阶。s s j 3 型大功率交流传动货运电力机车总体效果如图2 1 所示： 图2 1s s j 3 型电力机车总体效果图 f i g2 1g e n e r a lv i s i o no fs s j 3e l e c t r i cl o c o m o t i v e 2 1 1 用途及使用环境条件 1 ) 、用途：铁路干线牵引货物列车 2 ) 、环境条件 ( 1 ) 海拔 ( 2 ) 环境温度( ) ( 3 ) 相对湿度 2 ，5 0 0 m 以下 2 5 + 4 0 ( - 4 0 c 通过加热处理可正常运行。) 9 5 以下 ( 4 ) 能承受风、沙、雨、雪、煤尘、和偶有沙尘暴。 2 1 2 主要技术指标和参数 1 )电流制( k v h z ) 2 ) 轨距( 衄) 3 )轴式 2 5 5 0 ，单相交流 1 4 3 5 c 0 c 0 7 s s j 3 型交流传动电力机车车体钢结构及有限元分析 4 ) 机车整备重量( t ) 1 3 5 - 。l ( 2 3 t 轴重) + 1 1 5 0 - 3 ( 2 5 t 轴重) 5 ) 机车额定功率( 持续制) ( k w ) 7 2 0 0 6 ) 轴荷重( t ) 2 3 3 ：( 2 3 t 轴重) 2 5 鼍( 2 5 t 轴重) 7 ) 电传动方式交一直一交传动 8 ) 机车效率 0 8 4 9 ) 功率因数 0 9 8 1 0 )等效干扰电流( a )2 t 1 )起动牵引力( k n ) 5 1 5 ( 2 3 t 轴重) 5 6 0 ( 2 5 t 辘重) 1 2 ) 持续牵引力( 半磨耗) ( k n ) 4 8 0 9 1 3 ) 持续速度( k m h ) 5 3 9 1 4 ) 最高速度( k m h ) 1 2 0 1 5 )恒功率速度范围( 机车在牵引工况下) ( k m h ) 5 3 9 1 2 0 1 6 ) 电制动方式再生制动 t 7 )电制动功率( 轮周) ( k w )7 2 0 0 ( 8 6 4 1 2 0 k i n h ) ( 2 3 t 轴重) 7 2 0 0 ( 7 9 8 1 2 0 k m h ) ( 2 5 t 轴重) 1 8 )最大电制动力( k w )3 0 0 ( 4 7 8 6 4 k i n h ) ( 2 3 t 轴重) 3 2 5 ( 5 1 7 9 8 k m h ) ( 2 5 t 轴重) 1 9 ) 基础制动方式轮盘制动+ 储能制动 2 0 ) 平直道上单机纯空气紧急制动距离( m ) 8 0 0 ( 2 3 t 轴重) 1 4 ( 2 5 t 轴重) 2 1 ) 机车车体钢结构框架式整体承载结构 2 1 3 主要设备布置 1 ) 车顶设备布置 除主变压器的高压绕组和与之连接的2 5 k v 高压电缆及电缆接头外，其它的高压电 器都布置在机车的顶盖上。主要有两台单臂受电弓、两个高压隔离开关、一台真空断路 器、一个高压电流互感器、一个高压电压互感器、一个复合外套金属氧化物避雷器以及 接地装置，硅橡胶支持绝缘子、连接母线等。 车顶设置有入孔天窗，在确认接触网停电后，可由此上车顶进行检修和维修作业。 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 为确保安全，天窗设置钥匙联锁装置，与机车的控制电路、升弓气路联锁，只有在受电 弓降下，联锁钥匙到位后才能打开天窗；在天窗上还设有接地装置，在天窗打开时，将 车顶2 5 k v 电路接地。车顶设备布置见图2 1 所示。 2 ) 司机室 机车司机室符合规范化司机室的设计要求。操级台采用人机工程设计，在仪表台上 设置有监控显示屏、微机显示屏、空气压力仪表组合模块；在台面上除了设置有司机控 制器，扳钮开关组等设备外，还专门为司机记录运行情况预留了书写空间；在台柜内布 置有空气管路屏、连接插件、冰箱等；操纵台上还设置了取暖用的脚炉和膝炉。内部设 有信号显示器、辅助调车控制器、司机座椅、端子柜，热水器、电暖器、紧急放风阀、 灭火器等设备和消防、生活用品。司机室的顶部布置有顶置式机车空调( 冷暖) 、风扇、 头灯、司机室灯等设备。司机室前窗采用电加热玻璃，窗外设有电动刮雨器，窗内设有 电动遮阳帘；侧窗外设有机车后视镜。 3 ) 车内设备布置 i 端设备室紧邻i 端司机室，内部布置有1 3 牵引电动机的三台轴流通风机组、一 台复合冷却器和一台复合冷却器通风机组( 冷却一台主变流器和一半的牵引变压器冷却 介质) 、一台螵杆泵空气压缩机( 带膜式干燥器) 、微机控制柜( t c m s ) 、电源柜( 含蓄 电池) 、滤波装置柜、控制电器柜等。 端设备室紧邻端司机室，内部布置有4 6 牵引电动机的三台轴流通风机、一 台复合冷却器和一台复合冷却器通风机组( 冷却另一台主变流器和一半的牵引变压器冷 却介质) 、一台螺杆泵空气压缩机( 带膜式干燥器) 、空气管路柜、行车安全柜、储油柜 ( 含工具柜) 、总风缸等。 在i 端设备室和端设备室之间为变流器室，布置有两台变流器。每台变流器内部 都含有一台牵引交流器和一台辅助交流器。车内设备布置见图2 ，2 所示。 图2 2 车内设备布置圉 f i 9 2 ，2l a y o u to f t h ed e v i c e si n s i d et h e l o e o s s j 3 型交流传动电力机车车体钢结构及有限元分析 4 ) 车下设备布置 车下设备主要包含两台动力转向架、一台主变压器以及库用插座、行灯插座、机车 标签等设备，主变压器吊挂在车体的中部，转向架布置在主变压器的两侧【1 1 】。 本节对s s j 3 型大功率交流传动货运电力机车中关键的技术参数和指标，以及机车 内主要设备的布置进行了详细的描述，这对我们在以后车体钢结构设计过程中，起到了 指导性的作用。 2 2 车体框架结构及主要技术参数 s s j 3 型大功率交流传动货运电力机车车体是框架式整体承载结构车体，这是指由 整个车体构件来承担载荷的车体。具体说，由柱、梁和珩架等纵向贯通构件来承受轴向 力成分，由外板、顶棚板、地板等薄板来承担剪切力成分。由于载荷不能直接传递到这 些薄板上，所以要通过底架等构件来承受载荷，并将其分散到薄板上。整体承载式车体 的底架可将承载的各种集中载荷部分地分散到侧墙及与之相连的横梁上。 2 2 1 总体结构及主要技术参数 根据s s j 3 型大功率交流传动货运电力机车的设备布置以及通过单曲线、s 形曲线 时的各项要求，确定车体的长度、宽度及前后车钩中心距等。机车车体钢结构的主要技 术参数如下【1 2 1 ： 1 )机车外形尺寸符合g b l 4 6 1 8 3 ( “机车车辆限界”) 2 )机车前后车钩中心距( r a m )2 0 8 4 6 3 )机车车体底架长度( r a m )1 9 6 3 0 4 )机车车体宽度( m m ) 3 1 0 0 5 )机车车体高度( 新轮) ( n u n ) 4 1 0 0 6 )车钩中心线距轨砸高度( 新轮) ( 衄) 8 8 0 1 0 7 )底架枕梁中心线距离( n u n ) 1 0 4 2 0 8 )机车排障器距轨面高度( 在轮箍允许厚度范围内可调) ( 栅) 1 1 0 4 - 1 0 9 )齿轮箱最低点距轨面高度不小于( 在新论条件下) ( n u n ) 1 2 0 1 0 ) 车体底架上平面距轨面高度( m m ) 1 6 0 0 1 1 台架高度( 距底架上平面) ( m m )1 6 0 s s j 3 型电力机车车体结构大致可分为五大部件，包括底架结构、司机室结构、侧墙 结构、车顶盖装置、车钩、通风冷却风道等部分【1 3 1 。车钩采用1 3 号下作用车钩【2 l 】、m t - 3 型缓冲器【3 射，车钩及缓冲器能在不架起车体的情况下进行拆装检修，其机车车体总体结 构如图2 3 所示。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 3机车车体总体结构图 f i 9 2 , 3g e n e r a ls t r u c t u r eo f l o c oc a r b o d y 芹- 弋 圄 吲 、 ：；= = ，掣 l 一车钩：2 - 底桨：3 - - 司机室；4 一侧提窗；5 - - 机车门；6 一侧墙；7 一项蛊；8 - - 裙板；9 - 侧堵百页面；1 0 一前面 2 2 2 底架结构 1 ) 底架结构概述 电力机车车体底架作为整个车体的承载基础，它不但承受车体本身的质量和车内所 有设备的质量，同时还传递牵引力和制动力以及复杂的动应力，因此底架必须具有足够 的强度和一定的刚度。轻量化设计已经成为车体设计的重要目标早期电力机车车体底 架强度设计得很大，车体主要为底架承载，车体上部结构发挥作用不大，即通常所说的 底架承载式车体。车体轻量化要求发挥车体各主要部件的承载作用，如司机室、侧墙、 底架等共同参与承载，即通常所说的整体承载式车体。不管是底架承载式车体，还是整 体承载式车体，底架在车体承载结构中始终起着关键作用，尤其在车体轻量化设计过程 中，底架的结构优化和质量分配始终是我们关注的重点。随着电力机车新车型的研制及 速度的提高，单位长度底架质量越来越小，车体底架逐步朝轻量化发展，结构得到优化， 同时底架质量占车体总质量的比值总的趋势是下降的【删。 s s j 3 型电力机车是公司新开发的高速重载机车，因此，它对底架强度及刚度的要求 较高。底架主要是由前端牵引梁、旁承梁、变压器梁、后端牵引梁、侧梁，底架盖板等 部件组成的一个整体框架式承载结构，底架总重为2 5 6 0 8 k g = ! 。其结构如图2 4 所示。 s s j 3 型交流传动电力机车车体钢结构及有限元分析 f，j |fti 。 豸 臣二列1 ”r f举口 r 、f j ! 瀑 f 孵；珂 一j r ，p ri i 【i 一 宙l j 一1 ? p 舞 卓赢龋j l 川 u u k1 “ju j 山 1 i tl 象孓l 亡臼1已3 阼弱7 目铡 宙1目3i 建 k 、 t e三圳 1 r _叫i ：峤= 同 图2 4底架结构图 f i 9 2 4s t r u c t u r eo fu n d e x f r a m e 1 一端梁；2 一救援吊座；3 一枕采4 一旁承桀；5 一中梁；6 一底架附件；7 一边梁；8 一底架盖板 9 一缓冲座： 2 ) 底架主承载结构 底架结构设计时，应对整个机车的主要性能参数有所了解，如机车轴重、运行速度、 功率、牵引力及牵引方式、车上设备质量、车钩高度及车钩中心距以及车体所要求承受 的纵向压缩载荷等。只有充分了解机车的主要性能参数，才能对底架受力情况进行分析， 从而合理设计底架的结构i “i 。 前、后端牵引梁直接传递机车的纵向牵引力及纵向冲击载荷，其下部结构为车钩箱， 用于安装车钩及缓冲装置。目前国内电力机车车钩箱内部安装结构及尺寸已基本一致， 主要由前后从板座及其连接立板等组成，设计时可采用通用结构。车钩箱与端牵引粱 上、下盖板及前、后端板等主要板件组焊成一较为复杂的箱型粱。前、后端牵引梁两侧 与底架侧梁相连接，为改善连接结构处的受力状况，通常需对该部位进行加强，使受力 结构件组成的横截面平缓过渡刚。 枕梁与转向架二系簧连接，主要承受机车的垂向载荷，同时，对于从前、后端牵引 梁和侧梁传递过来的力进行分散吸收。由于枕梁受力状况较简单，因此其结构也较简单， 设计中只需着重考虑二系簧安装位置的结构及其强度。为了减轻质量，枕梁采用不等截 面梁结构，相应减少枕梁中部截面积1 9 。 变压器安装梁主要承受变压器的垂向载荷及其产生的惯性力。由于变压器安装方式 的不同，及其结构型式也不同。s s j 3 型电力机车采用吊挂式安装方式，其安装梁结构主 要由两根相同的变压器横向安装梁组成，两端与底架侧梁连接，由于变压器通过螺栓与 该梁下部相连接，设计中不仅要充分考虑其受力大小及结构承载，还需设置防止螺栓松 动或断裂时的安全保护装霞p 町。安装梁主要由上下盖板及两侧立板组成主承载结构。 3 ) 底架材料选择 车体底架作为承受动载荷的结构件，不仅要求材料具有较高的强度，而且也应具有 一定的韧性及冷弯性能，此外还要求材料的焊接性能好。对于在低温环境中运行的机车 ( 如一2 0 以下) ，还要求底架材料的低温性能好，具有较低的低温脆性转变温度。 一1 2 一 大连理工大学专、比学位硕士学位论文 目前我