摘要：顶盖是电力机车的重要组成部件，顶盖结构设计质量直接影响到机车能否正常运行，设计得不好就有可能导致顶盖开裂。通过对比梁与设备安装座的不同布置方式产生不同效果，说明了骨架和设备安装座的设计对顶盖力学性能影响极大，因此如何设计好骨架和设备安装座是顶盖结构设计的关键。
关键词：电力机车；顶盖；结构设计
引言
顶盖作为电力机车的重要组成部分，在机车各项功能中主要起封闭机车、承载一定数量设备的作用，因此对于顶盖制造工艺的研究主要从密封效果、承载能力保证、制造工艺顺畅方面来考虑。电力机车顶盖安放在机车侧墙、端墙上，与下面的底架共同形成一个封闭的腔体，顶盖密封效果的好坏，就体现在与侧墙、端墙上，与下面的底架共同形成一个封闭的腔体，顶盖密封的好坏，就体现在与侧墙、端墙连接的部位在工艺制造过程中精准度的控制上。顶盖承载能力的保证，主要体现在制造过程中焊接质量的控制。
1顶盖的受力
机车处于静止状态时顶盖只承受自重以及顶盖设备的重力作用。但机车运行时由于不断受到轮轨冲击载荷的作用，顶盖和顶盖设备会产生纵向、横向和垂向等多个方向的冲击载荷，各冲击载荷的合力可能远大于顶盖和顶盖设备的自重，冲击载荷会在盖板和梁中产生弯矩、剪力、轴向力和扭矩等多种形式的内力，尤其是在较重设备安装部位会产生较大的内力。由于顶盖的刚度较小，因此冲击载荷会在顶盖中引起较大的应力。另外机车运行过程中，车体容易出现绕横向轴的弯曲运动和绕纵向轴的扭转运动，在顶盖中会产生弯曲正应力和扭转剪应力。这些因素的综合作用，有可能在顶盖中安装较重设备的部位出现较大应力，从而引起这些部位强度不足而开裂。例如SS6B型、SS8型、SS4G型机车等均出现过顶盖高压电压互感器安装部位开裂的情况。
2顶盖结构设计
为了满足从车顶吊装机械间大型设备的需要，通常顶盖被划分为可拆卸的若干小块。为了便于拆卸和安装，顶盖与侧墙、端墙和连接横梁通过螺栓连接。各小顶盖在结构上相互独立，因各小顶盖上布置的设备不尽相同，各小顶盖的结构也不尽相同，但有共同的特点，都是由骨架和设备安装座组焊而成。骨架是由盖板和梁组焊而成，梁包括四周的边梁和端梁，以及边梁和端梁所围区域内的若干纵梁和横梁，它起着承载的作用。盖板起着承载和密封的双重作用，盖板增厚，承载能力会提高，同时焊接变形会减小，但是会增加顶盖重量。根据以往的设计经验，钢质顶盖盖板厚度为2.5~3mm。设备安装座是连接顶盖设备与顶盖骨架的纽带，顶盖设备的重量以及在机车运行时设备产生的冲击载荷是通过设备安装座传递到顶盖骨架的。骨架和设备安装座的设计是顶盖结构设计的两项重要工作，顶盖结构设计的优劣就体现在顶盖骨架和设备安装座的设计质量上。
2.1顶盖骨架设计
顶盖骨架设计首先要确定顶盖的外形，其次要根据各小顶盖上设备的布置情况来确定各小顶盖边梁、端梁、内部纵梁和横梁的组合方式以及各梁的断面形状和布置方式。
2.1.1顶盖外形确定
顶盖外形大致分为凸顶盖与平顶盖2种。高速客运机车为减小空气阻力一般采用凸顶盖，低速重载机车则可采用平顶盖。由于外形和密封设计的差异，导致凸顶盖与平顶盖边梁和端梁设计以及顶盖与侧墙、端墙、连接横梁之间连接方式的差异。
凸顶盖的边梁和端梁起承载和密封的双重作用，因此凸顶盖的边梁和端梁要设计成向下开口的U形梁，或边梁和端梁带有向下开口的凹槽，或与盖板组焊在一起时形成向下开口的凹槽，以便于安装密封条。通过压紧装置把密封条压在侧墙、端墙、连接横梁上，构成密封副。凸顶盖的支撑设计分为2种，有的是通过四周的密封副直接承载，有的是通过在边梁上设计一个支撑面，用螺栓把边梁支撑面安装于侧墙之上。
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2.1.2梁的组合方式
顶盖边梁沿机车纵向布置，端梁沿机车横向布置，边梁与端梁所围区域内为纵横交错布置的纵梁与横梁。通常情况下小顶盖呈长方形，顶盖边梁比端梁长，在其他条件相同的情况下短梁比长梁具有更大的刚度和更高的强度，因此在边梁与端梁所围区域内一般不沿纵向布置与边梁等长的纵梁，而是沿横向布置与端梁等长的横梁，这样可使顶盖具有更大的刚度和更高的强度。
2.1.3梁截面形状选择
在截面积相等的情况下，不同形状截面的梁的轴惯性矩和抗弯截面模量是不一样的，因而表现出的抗弯性能也不一样。用截面的比值Wz/A来对不同截面梁的抗弯性能进行比较，其中Wz为梁的抗弯截面模量，A为截面面积。合理的截面形状应该是截面面积A较小而抗弯截面模量Wz较大，因此可以用比值Wz/A来衡量截面形状的合理性和经济性。Wz/A比值较大，则截面形状就较为合理，也较为经济。根据这个截面选用原则，顶盖设计中常用U形和L形截面梁。U形梁和L形梁容易直接由板材通过压型加工而成，而且抗弯性能好，被广泛应用于顶盖设计中。
就U形梁和L形梁相比较而言，U形梁与盖板组焊在一起时可形成抗扭性能好的闭口截面梁，因而承载能力更强，但纵梁与横梁之间不便于使用嵌入式对接。而L形梁与盖板组焊在一起时仍然为开口截面梁，抗扭性能差，但纵梁与横梁之间便于使用嵌入式对接，由于车顶设备质量小，设备产生的动载荷也较小。HXD1型机车的实际运用证明，顶盖中使用L形梁也能满足要求。
2.2支撑杆技术项点分析
支撑柱为4根，呈矩形分布。支撑杆根据前面的分析，总长度1675mm。为了拆装方便，支撑杆与2根横梁之间连接不是通过焊接连接起来，而是通过螺栓连接，在加上三个支撑部，保证因顶盖向外施加的力所需要的强度。支撑柱的底座使用钢板(750mm×750mm)与支撑柱焊接在一起，底座不用通过打地桩来固定，直接立在地面，可以随时移动两立柱之间的距离，来达到适用于各型机车顶盖尺寸的目的。同时，为了使转臂旋转到相应位置后，保证转臂不再出现移动，需要在支撑柱上的转臂相应位置配钻Φ12的孔，用于穿插销固定转臂。
2.3伸缩杆技术项点分析
支撑顶盖的支杆为了适用于不同宽度的顶盖，设计为可伸缩的杆，即转臂和伸缩杆配合，转臂上开成左右贯穿的长圆孔，根据顶盖尺寸调整好伸缩杆的位置后，使用旋紧件固定住伸缩杆。同时，为了避免对顶盖油漆磕碰伤，在伸缩杆和顶盖接触面加上一层橡胶垫。
2.4顶盖设备布置
顶盖设备布置是影响顶盖结构设计的重要因素，最佳的顶盖设备布置方式是既能满足机车电路布置的要求，又能在顶盖中产生较低的应力和较小的变形的布置方式。在可能的情况下顶盖上较重设备应尽量靠近顶盖边缘布置，这样有利于减小由设备重量及冲击载荷在顶盖中引起的最大弯矩值，从而提高了顶盖的抗弯强度。
结语
机车顶盖存放工装投入使用后，使顶盖生产线上可以在少占用生产用地的前提下还多储存顶盖，保证现场生产需求。同时，可以满足各型车不同顶盖的存放，解决了半成品顶盖周转、消除现场作业等待问题，大大提高现场场地的利用率以及员工作业效率。
参考文献:
［1］黄学君．电力机车顶盖结构设计［J］．机车电传动，2010(6)．
［2］中国机械工业学会焊接学会.焊接手册［K］.北京：机械工业出版社，2001.
［3］中华人民共和国铁道部科技教育司科教装[2001]21号，200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定［S］.
［4］中国机械工业学会焊接学会.焊接手册［K］.北京：机械工业出版社，2001.
论文作者:刘卓
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
标签：顶盖论文; 截面论文; 机车论文; 设备论文; 横梁论文; 骨架论文; 盖板论文; 《电力设备》2019年第6期论文;