緬甸米軌機(jī)車底架設(shè)計(jì)

林　紅,郝曉明,朱立興（南車四方車輛有限公司,山東　青島　266111）

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緬甸米軌機(jī)車底架設(shè)計(jì)

林紅,郝曉明,朱立興
（南車四方車輛有限公司,山東青島266111）

摘 要：主要介紹了出口緬甸米軌機(jī)車底架設(shè)計(jì)，闡述了其結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，并通過Catia建立底架模型，采用Ansys對(duì)其進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)底架強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：米軌機(jī)車；底架；強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元

1　前言

出口緬甸機(jī)車是南車四方車輛有限公司基于多年的電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的一種由一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組提供牽引動(dòng)力，采用AC-DC交-直電傳動(dòng)的內(nèi)燃型碳鋼機(jī)車；主要用于在緬甸鐵路公司米制軌道系統(tǒng)內(nèi)的平原地區(qū)和山區(qū)，牽引客車、混合客貨列車和貨運(yùn)列車。

2　主要技術(shù)參數(shù)

依據(jù)緬甸鐵路限界條件及合同技術(shù)要求，分析總體布置，確定底架主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

車體上部從前至后依次為Ⅰ端司機(jī)室、電氣室、動(dòng)力室、冷卻室、輔助室、Ⅱ端司機(jī)室。各室之間、室與底架間采用螺栓連接，連接間隙以橡膠條密封，車體斷面如圖1所示；車體采用底架承載。

3　設(shè)計(jì)原則

（1）緬甸機(jī)車適用于米軌，車輛長(zhǎng)寬小，車鉤中心與邊梁上平面高度差大；中梁應(yīng)降低對(duì)底架空間的占用，避免應(yīng)力集中；

（2）橫梁采用變截面口型梁，并根據(jù)柴油機(jī)組等重載設(shè)備位置合理分布；

（3）能承受縱向不低于120t的壓縮載荷。

（4）底架材料以高強(qiáng)度合金鋼Q345B為主；次要部位板梁采用耐候鋼Q295GNH，型材采用Q235B。

4　底架組成

底架承受橫、縱向載荷沖擊；并承受設(shè)備垂向載荷。采用中梁結(jié)構(gòu)，提高其承載能力，主要由端部、中梁、邊梁、旁承梁、橫梁及設(shè)備安裝座、地板等組成。底架2D如圖2所示。

地板采用耐候鋼，分段鋪焊在底架梁柱上方，保證剛度；地板均勻開設(shè)漏水孔，避免底架積水銹蝕。

每組旁承梁兩側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)4個(gè)轉(zhuǎn)向架起吊座，滿足車輛整車起吊需要。

枕內(nèi)對(duì)稱設(shè)架抬車位，為車輛制造、檢修及維護(hù)提供必要支撐。

4.1端部組成

端部對(duì)稱布置在底架兩端。上部安裝司機(jī)室；下部設(shè)車鉤箱，安裝車鉤及緩沖裝置；端板安裝排障器、緊急救援吊座，端部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

端部?jī)蓚?cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)砂箱，每個(gè)砂箱達(dá)到175kg容砂量，提高車輛不同工況下的牽引、制動(dòng)性能。

側(cè)板組成分置端部組成兩側(cè)，從側(cè)面看，可遮擋端部組成大部分結(jié)構(gòu)，提高車輛的美觀性；同時(shí)，側(cè)板組成與邊梁焊接，還可提高端部強(qiáng)度。

4.2中梁組成

中梁位于底架中部，并縱向貫穿。中梁由左中梁、右中梁、牽引銷座、底板及補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)等組成。左右中梁為拼焊口型梁，兩中梁之間設(shè)風(fēng)道盒，中梁內(nèi)部設(shè)風(fēng)道，以實(shí)現(xiàn)將冷卻風(fēng)機(jī)傳出的冷卻風(fēng)輸送至轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)，確保車輛運(yùn)行安全。

中梁下部設(shè)計(jì)3組牽引銷安裝座，安裝轉(zhuǎn)向架牽引機(jī)構(gòu)。牽引銷座背面設(shè)框架式補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提高安裝座強(qiáng)度。

中梁組成兩端與端部組成連接，上部及兩側(cè)分別通過地板、橫梁，與邊梁連接。底架橫斷面如圖4所示。

4.3邊梁組成

底架兩側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)邊梁組成，材質(zhì)為Q345B槽鋼，高度160mm，兩端帶折角，向內(nèi)收縮；每側(cè)邊梁開3個(gè)吊車孔，安裝吊車筒；枕內(nèi)對(duì)稱設(shè)計(jì)4組抬車座。

4.4旁承梁組成

緬甸機(jī)車采用3組轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架二系彈簧采用橡膠旁承。每組轉(zhuǎn)向架采用2個(gè)橡膠旁承，在底架對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)3組共6個(gè)旁承梁，對(duì)稱布置。旁承梁主要由腹板、下蓋板、隔板及旁承座體組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

旁承梁以底架地板為上蓋板，待地板落裝后，使旁承梁呈封閉箱型結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度。

旁承梁一端與邊梁連接，另一端與中梁組成連接。

4.5橫梁組成

在邊梁與中梁之間，設(shè)計(jì)橫梁，橫梁截面為口型，采用變截面形式，以連接邊梁和中梁，橫梁上開制動(dòng)、電氣管路孔。

5　難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)

對(duì)比準(zhǔn)軌車輛，米軌車輛長(zhǎng)寬明顯較小，底架強(qiáng)度、設(shè)備布置面臨諸多困難。

5.1難點(diǎn)分析

（1）根據(jù)總體規(guī)劃，端部轉(zhuǎn)向架將底架端部縱向跨度限制在不足1200mm范圍內(nèi)，壓縮了端部的縱向延伸空間，不利于該部位集中載荷的緩解和分化，見圖6。

（2）端部與中梁組成呈兩級(jí)臺(tái)階關(guān)系，車鉤箱縱向載荷作用中心與邊梁上平面存在816mm高度差，根據(jù)剛性結(jié)構(gòu)的力學(xué)傳遞特性，端部組成與中梁組成連接的截止端頂部為危險(xiǎn)應(yīng)力高發(fā)區(qū)；

（3）轉(zhuǎn)向架的撒沙裝置放在端部；同時(shí)端部制動(dòng)管路排放密集，見圖6，空間緊張；

（4）根據(jù)總體規(guī)劃，轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)冷卻風(fēng)傳送、電機(jī)主線纜及牽引銷座補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，集中布置，且都與中梁組成有一定重合。

5.2應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)以上分析，分別在端部、中梁結(jié)構(gòu)采取針對(duì)設(shè)計(jì)。

（1）車鉤箱由腹板組成、防跳板、大擋板和小擋板組成箱型結(jié)構(gòu)，位于端部組成下部。車鉤箱箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)設(shè)從板座、磨耗板，安裝鉤緩裝置，并直接承受縱向牽引載荷。

首先將腹板設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，在兩層腹板之間，設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)筋板；腹板與中梁連接，并與中梁腹板位置對(duì)應(yīng)，以增加兩者間的連接面積，提高中梁對(duì)車鉤箱縱向載荷的分擔(dān)。

其次，在車鉤箱向轉(zhuǎn)向架一端設(shè)計(jì)大端板，吸收縱向載荷；此外，砂箱同時(shí)用于強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，通過砂箱體等部件，將中梁與邊梁連接，使端部形成大截面箱型結(jié)構(gòu)，見圖3。

（2）中梁縱向貫穿底架，是底架縱向載荷及彎扭載荷的主要承擔(dān)者，結(jié)合轉(zhuǎn)向架牽引銷安裝需要，采用高度300mm大高度中梁。

車鉤箱與中梁連接截止端，設(shè)計(jì)過渡結(jié)構(gòu)，見圖3，緩解截面突變，避免應(yīng)力集中。

（3）左右中梁之間設(shè)通長(zhǎng)底板，中梁底板與中梁腹板、地板形成封閉腔，腔內(nèi)布設(shè)電機(jī)主線纜，同時(shí)容納風(fēng)道盒、牽引銷座補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如圖7所示，以解決空間爭(zhēng)搶問題。

6　計(jì)算

底架結(jié)構(gòu)確定后，采用Catia建立3D模型，并用Ansys對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

6.1有限元模型

底架有限元模型以4節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元為主，并用質(zhì)量元模擬附加結(jié)構(gòu)質(zhì)量；模型單元總數(shù)為370260，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為348710。有限元模型見圖8。

6.2強(qiáng)度、模態(tài)評(píng)定

底架所用材料及其性能見表2。

表2　底架材料性能參數(shù)

各計(jì)算工況下，車體各部件的最大Von- Mises應(yīng)力均不得大于該部件所用材料的屈服強(qiáng)度。

模態(tài)分析要求底架振動(dòng)頻率偏離其他附屬設(shè)備自振頻率，防止產(chǎn)生共振。

6.3計(jì)算工況

根據(jù)要求，從以下工況校核底架靜強(qiáng)度：

（1）垂直載荷工況；（2）縱向壓縮、拉伸工況；（3）整體起吊工況；（4）救援工況；（5）雙機(jī)牽引工況。并按照空車和整備兩種狀態(tài)對(duì)底架進(jìn)行模態(tài)分析。

6.4結(jié)果分析

通過分析，底架靜強(qiáng)度結(jié)果見表3。

表3　底架的最大Von. Mises應(yīng)力發(fā)生部位（MPa）

底架一階垂向彎曲振型云圖見圖10。

經(jīng)分析，靜強(qiáng)度工況下，底架剛度符合要求，各部件最大應(yīng)力均小于所用材料屈服極限；結(jié)合對(duì)比相似車型，底架模態(tài)振型合理，能夠有效避免與車輛其他設(shè)備產(chǎn)生共振。

7　總結(jié)

緬甸機(jī)車是一種適用于米軌的內(nèi)燃型碳鋼機(jī)車，具有車身小，載重及牽引載荷大等特點(diǎn)，采用底架承載；保證底架強(qiáng)度、剛度可靠，具有較大的設(shè)計(jì)難度。通過采用Catia軟件建立底架3D模型，結(jié)合Ansys有限元分析，設(shè)計(jì)并校核了設(shè)計(jì)底架具有良好的強(qiáng)度、剛度，能夠滿足客戶使用要求。目前，機(jī)車已順利通過首車試驗(yàn)，且首批3輛已完成生產(chǎn)并交付用戶。

參考文獻(xiàn)：

[1]大連交通大學(xué).出口緬甸機(jī)車底架靜強(qiáng)度、靜剛度報(bào)告[R].2015.

[2]嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程（第三版）[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：林紅（1981-），女，山東煙臺(tái)人，碩士，工程師，研究方向：機(jī)客車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.256