重载电力机车车体结构设计及优化分析

摘要：重载是节省能源和提高铁路货运效率的主要方向。重载运输是大功率电力机车为提供牵引动力。在重载运输牵引环境中，机车车体受到复杂的大载荷对机车车身结构设计的深入研究越来越重要。

关键词：重载电力机车；车体；结构设计

如果在牵引梁与侧梁之间添加刚度较高的过渡结构，则可以大大降低过渡区域中的应力水平，并显着增加结构的总体载荷水平。更改尺寸参数(如厚度)对优化效果的影响有限，因此，在车身设计中协调刚度设计具有重要意义。局部结构参数化零件模型允许优化局部结构的尺寸参数，获得所需的优化，并减少优化分析计算的处理时间。

一、我国重载电力机车车体技术现状及特点

1.机车车身整体结构。重载直流机车以SS4系列机车为代表。SS4和SS4B型机车体引进并吸收了基于SS4型机车体技术的8K型和6K型机车体的先进技术，采用调制简化为核心根据设计原则，形成了8轴电力机车主体，其特点是机车主体的整体荷载、底架两侧垂直梁结构、车厢两侧走廊、侧壁整体通风和机车屋顶大结构。机车车身支撑结构由内底架、驾驶室、侧墙、后墙、焊接件，如设备的安装平台。车身是由高质量的碳基钢或高质量的低合金钢制成的。在当时的技术条件下，大顶盖结构允许采用现代预布线和预布线方法进行施工，缩短生产周期，改善施工条件。为提高机车整体装配质量创造条件重型交流传动机车以HXD3C型机车为基础。车体主要由底架、司机室、侧、后墙、设备安装框架梁和车身辅助结构构件组成。可以拆下车辆的顶盖，以便于在车辆中吊起设备。整个主体形成了长方体的框架结构。

2.机车车身结构强度。车身必须强度和刚性，以满足重载运输的要求。当前，我国在计算和分析机体结构强度方面积累了一定经验强度计算的主要荷载情况之一符合gb3317-82电力机车的一般技术条件，即当机车底架承受的垂直荷载等于

设备在工作状态下产生的垂直荷载时，最大应力沿杆的纵向中心线但是，近几年，如牵引能力为4000至5000吨，而铁路则朝着重载方向发展，特别是当重载有2万吨时，SS4改装后的车体负荷比原自主机组更为复杂。在工作过程中，底架开裂、变压器安装梁开裂等问题出现在主体结构中，特别是相应的对车钩裂纹、缓冲器问题得到了详细的分析和解决。解决这些问题也为重型机车车身的未来发展提供了良好的基础。

3.钩缓系统。SS4型机车采用普通铸钢车钩13号，缓冲采用MX-1摩擦橡胶缓冲。由于抗拉强度低，普通模具钢连接不能满足重载机车的要求。例如，近年来，承受10 000吨重运输的SS4型改进型机车和SS4B型改进型机车使用13号C级钢钩，而SS4型改进型机车使用抗腐蚀钢钩，13号E级钢钩的静力抗拉断裂能力为3800kN。

4.机车车身结构材料。关于车架材料的选择，车架设计中考虑的主要指标是钢的抗拉强度和弹性极限。随着机车体钢性能要求的提高，重载机车体只考虑钢的抗拉强度和弹性极限远远不够，有必要考虑钢的其他性能[2]。

二、重载电力机车车体整体结构优化及分析

通过分析和参照每个车型的结构属性及其参数，优化主体结构。为了更有效地分析优化计算。主体结构优化的目的是提高主体结构的承载能力，优化局部结构的应力水平。目的是优化HXD3C型机车车身结构，根据分析，牵引梁与枕梁之间的结构刚度是机车车身结构优化区。因此，侧、中梁的结构刚度是最佳设计参数。由于车辆的具体结构和尺寸，侧梁和中间梁的高度很难修改。因此，考虑到厚度大于16mm的钢，边梁的设计参数为板厚度，侧梁的屈服强度和许用应力有所降低，钢材厚度分别为10、12、16mm，考虑到优化目标是减少纵向力通过中心梁的传递，所选过渡段梁的厚度为16mm而不降低过渡段的刚度，10、12和16mm作为设计参数可选。优化后的五个厚度参数不需要改变结构的拓扑连接关系，易于实现。此外，还提出了结构优化方案：在牵引梁与侧梁之间增设箱形过渡结构。这种结构具有较大的自由度，但其尺寸容易受到其他结构因素的，过渡结构也可以作为最佳的设计参数。牵引梁与中心梁径向结构过渡区的应力如图1所示。经逐步计算，驾驶室上部传递的纵向力流为561.5kN，底盘传递的纵向力流为-

3556.4kN。中梁纵向传力流量1159.2kN，梁两侧纵向传力流量-1686.3kN，地板纵向传力流量-710.9 kN。从图中可以看出，中梁的纵向力流和弯矩较大，边梁支座的纵向力流和弯矩小于中心梁支座，楼层支座的弯矩最小。表1显示了采用五个最佳厚度参数和结构优化方案计算的框架结构纵向力流。侧梁厚度的增加仅产生8%的优化效果，而工型结构过渡段的增加有近20%的优化效果。这可以大大降低应力水平。箱梁结构与中梁拱结构增加后过渡段纵向力流及局部应力见表1。

图1纵向截面结构力流分布与中梁圆弧结构过渡处区域应力

表1优化结构的车体底架结构纵向力流及局部应力 三、车体局部结构应力优化及计算

机车车体结构不仅要大量的参数，而且是复杂的拓扑结构。机车总体结构优化的难点在于从车辆结构中提取主要局部结构进行优化计算。现代FEM模型分析技术的耐受性在局部是最好的。局部刚度的较大变化要求对子结构模型的优化结果进行完全局部验证。LeHXD3C型机车牵引梁与中心梁过渡区结构参数的子模型确定了最佳结构参数为L1、L2和R，采用切割极限优化计算。L1=130mm，

L2=275mm，r=232mm为结构优化方案。此时中间梁过渡区最大应力为310374mpa，应力结构降低了8.8%，说明现有结构与优化结构非常接近[1]。

国民经济中铁路运输将在发挥重要作用。重载运输随着及其技术的发展，车身设计及相关技术对重载机车进行研究变得越来越重要。具体而言，近年来，有关国内企业在引进和吸收国外先进电力技术的基础上进行了显着的技术革新车身技术的发展，和与国外知名大型企业技术差距的逐步缩小为我国发展重载电力机车奠定了良好的技术基础。

参考文献：

[1]刘涛.重载电力机车车体结构设计及优化分析[M].北京:中国铁道出版社,2019.

[2]李红.我国重载电力机车车体设计及技术发展[J].电力机车及城轨车辆，2019(2).

[3]金如.SS4改车体结构优化及强度计算[J].电力机车及城轨车[1]辆，2019(6).