东风7A型调车机车-老司机 揭秘 车头事 ,速来围观 下

赵淑贤++孙建旭++朱宪文

[摘 要]介绍了GCY470型内燃调车机车车体结构、主要部件结构及特点，对机车车体主要结构进行了轻量化设计，并对其进行了简要的有限元分析和总结。

[关键词]内燃机车 地铁调车 车体 结构 轻量化 强度

中图分类号：TM641 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0044-02

前言

轻量化设计已经成为车体设计的重要目标，随着机车功率的加大和运用速度的提高，对机车车体轻量化提出了较高的要求，车体轻量化要求车体各主要部件的承载作用，如侧墙、大盖等。该项目车体的轻量化要求也是车体设计的一大难题。

在机车研制过程中，我们运用了CAE先进手段和方法，对车体及主要部件进行了有限元计算分析，有效地保证了机车在运行性能和强度方面的安全。

1.车体结构概述

GCY470内燃地铁调车机车车体为双司机室内走廊框架承载式结构。主要承载结构为司机室，侧墙和底架。车体钢结构由两端司机室、侧墙、底架等主要部件焊接构成，顶盖用螺栓活接与侧墙上。该机车车体顶盖的设计采用小顶盖结构，由三个独立的活动顶盖通过活动梁连接而成，车体顶盖可拆卸，以便于总装和检修时车内设备吊装。这种结构形式是欧洲大部分机车车体广泛采用的结构形式。GCY470型调车机车车内采用敞开式侧墙通风形式，机械间采用两侧内走廊方式。GCY470车体钢结构如图1所示。

GCY470型机车在设计选材时，选择了机械性能良好的Q345E国产钢材，其中最厚的钢板为60mm，最薄的钢板为3mm。

1.1 车体钢结构主要参数

（1）车体总长（车钩衔接线间距离）/mm 15570

（2）车体总长（两司机室端面距离）/mm 14650

（3）车体宽度/mm 2600

（4）车体顶盖距轨面高度/mm 3790

（5）车钩中心线距轨面高度/mm 660±10

（6）前后旁承中心距离/mm 7800±4

（7）排障器距轨面高度/mm XXXX

1.2 司机室结构

司机室的设计首先考虑其承载及抗碰撞要求，然后要使其具有外型简洁美观、瞭望方便、空间宽敞、环境舒适等特点。

司机室的侧墙蒙皮采用10mm厚钢板，内部框架由横向、纵向、斜向支撑梁以及门立柱互相焊接组成，通过前期的计算、优化使支撑梁布置得更加合理，使底架纵向力流沿着司机室钢结构两侧及中部合理传递，最大程度地发挥其承载作用。

司机室前脸部分特别设计了结构强化区域，主要指从窗框下沿到司机室最下沿。这一区域的蒙皮为20mm，蒙皮内还衬有加强梁，这一结构使其能够承受更大的压力载荷。通过防冲击结构设计使其抗冲击能力得到了进一步的加强，从而使司机室在可能遇到的碰撞情况下能够对驾驶人员起到一个良好的保护作用。

1.3 底架结构

底架是机车车体的主要承载部件，它不仅承受垂向载荷，而且还传递机车的纵向牵引力及承受各种复杂的运动力，因此，GCY470型机车对底架强度及刚度的要求较高。底架主要是由端部牵引梁、旁承梁、中梁、边梁等组成的一个整体承载结构。底架作为承受动载荷的结构装配，不仅要求材料应具有较高的强度，而且也应具有一定的韧性和冷弯性能，此外还要求材料的焊接性能好，该车底架結构材料主要采用低合金结构钢Q345E。底架钢结构如图2所示。

端部装配采用组焊结构，由中部牵引梁装配、斜撑装配、上下盖板、端板组成箱型结构，并在端板前端设置救援吊座、后端设置加强围板，中部牵引梁装配内设有缓冲座，用于安装机车车钩；上下盖板两侧预留足够空间，安装防滑式侧梯。其中斜撑装配将牵引梁上的受力分散到主要承载梁—中梁装配上，合理分配各梁受力情况，避免了应力高度集中。

中梁装配是采用箱式的焊接结构，由上盖板、下盖板和左右腹板组成，内部每隔一段距离焊有加强筋板；为安装二系减震橡胶堆，在中梁对应位置安装旁承座，共有4个旁承座，并在旁承座与上盖板之间加焊加强板，避免旁承座长期受冲击产生裂纹。中梁装配是将前后牵引横梁和柴油机座梁及油箱装配焊接成一个桥梁，是车体的主要承载结构之一。

柴油机座梁及油箱装配由左、右侧挡板及中间挡板结构组成。其中左右侧挡板纵向梁位置与中梁纵向梁在同一直线上，便于力的传导；并在左右侧各预留砂箱、蓄电池箱、加油口及油位显示仪位置。

除了以上介绍的结构，车体底架另设置了边梁、盖板及附件装配。其中边梁装配由压型槽钢和筋板组成，与中梁装配组成了框架，加强了底架刚性，并在上方安装了防滑密封走台板装配。底架盖板作为内部设备安装的基础，在盖板受力和振动较大部位加焊口字形梁，保证底架整体强度。在底架的相应位置设置了砂箱装配、设备安装座、排污槽、减振止挡等设施，为机车其他部件提供辅助功能。

1.4 侧墙结构

侧墙由上弦梁、蒙皮和支撑角钢组成。上弦梁是50×70×4的方管，立梁是50×50×4的方管，蒙皮为3mm的钢板。支撑角钢是50×50×4的角钢，对整个侧墙起加强作用。

侧墙结构采用模块化设计，左右侧墙完全对称，由侧墙板、立柱、横梁、纵梁和蒙皮等焊接成为整体，其中梁的结构多采用压型梁，侧墙蒙皮采用3mm厚钢板。每侧设有三个侧窗、两个通风百叶窗。同时将有百叶窗部位的侧墙立柱及上弦梁处的侧墙蒙皮省掉，可以减轻侧墙的重量，而又不影响侧墙的承载能力。并在局部应力较大位置增加节点板进行过渡设计，减缓应力集中，从而提高侧墙的承载能力。

1.5 机械间顶盖结构

机械间顶盖为双层蒙皮带通风腔结构，这种结构的顶盖具有隔热、通风及保温多种功能，且整体强度及刚性较大。同时为安装及检修方便，机械间顶盖设计成四块可拆卸的活动顶盖，顶盖之间设置有挡雨檐结构，保证顶棚整体的密闭性。同时每个顶盖上均有防滑梁和扶手，以确保车顶作业人员安全。

2.轻量化设计

GCY470型调车机车装有独立的冷却模块，对工作后的高温冷却介质进行冷却。借鉴前人设计，均为冷却装置独立设计支架进行支撑，而本车作为地铁调车，功率相对较小，冷却装置重量也较之前版本小很多，于是为了满足车体轻量化设计，本车设计将冷却装置的重量直接由大盖和侧墙承载，取消了冷却装置支撑座，同时优化了大盖及侧墙的结构。为了检验大盖及侧墙钢结构的强度，本文将通过有限元分析软件对其模型进行计算分析。

3.静强度计算

主要承重鋼结构（大盖和侧墙部分）的三维模型使用Creo2.0根据实际情况进行设计，包含了实际钢结构的全部特征。

将三维模型导入ABAQUS中进行处理，在分析过程中，将各部件通过相应位置的节点连接起来进行计算，以保证各接触面上位移和受力的协调性，能较好地分析整体钢结构的受力情况。

从计算结果来看，该部分车体钢结构经过优化后，侧墙及大盖的整体受力均匀。图所示为垂向静载工况下最大应力云图，计算结果的最大应力值为243.6MPa，母材应力在考虑安全系数的情况下均小于按标准确定的许用应力，由此说明这种车体结构静强度符合要求。

通过分析计算结果发现，部分结构存在应力集中的情况。对焊缝处的盈利集中应进行焊缝的接头设计及焊缝强度计算，以减少焊缝疲劳失效的可能。

4.总结

本文对GCY470型内燃地铁调车机车冷却装置的安装方案进行了优化设计，并通过有限元软件对优化后的设计方案进行了分析，设计方案有较高的合理性、可靠性。

GCY470型机车的车体钢结构无论从选材还是到结构设计无处不体现其高强度、高刚度的特点。该机车是整体承载结构，根据承载情况我们前期进行了强度分析，并根据分析结果采用适当结构使整个车体钢结构的应力分布尽可能均匀，尽可能接近等强度。该方案的优化设计符合机车轻量化设计的要求，同时也为后续的相关设计提供了一些参考。

参考文献

[1] EN12663-1：2010《铁路应用—铁路车辆车体的结构要求》第一部分[S].伦敦：英国标准协会，2010.

[2] 姚林泉.汪一鸣.《城市轨道交通概论》[M].北京：国防工业出版社，2012.

[3] 菊地.隆宽.《整体承载结构车体技术》.R&M，2006.

[4] 《材料力学》.高等教育出版社，1992.

[5] 石亦平.周玉蓉.《ABAQUS有限元分析实例详解》.机械工业出版社，2006.