摘要：随着机车的重载高速发展，对车体结构的承载能力要求越来越高，同时又对车体重量进行限制，承载能力和轻量化成了车体结构设计的一对矛盾。因此，必须设计性能优良的车体结构，使其既满足承载能力的要求，又实现轻量化的目的。
关键词：电力机车；结构设计；车体
车体是电力机车的重要传力结构，机车正常运行时，车体是牵引力和制动力从转向架传递给车辆的必经环节；车体是机车二系悬挂系统以上各种设备赖以安装集成的载体，需承受二系悬挂系统以上全部设备的重量及由全部设备产生的各种动载荷；车体是司乘人员的工作场所，需为司乘人员提供安全舒适的工作环境。
1 车体设计载荷
电力机车车体需分别承受如下各种工况或若干工况组合的设计载荷作用：
1.1作用在车体两端后从板座上 2000kN 的压缩力；
1.2作用在车体两端前从板座上 1000kN 至 1500kN 的拉伸力；作用在牵引梁上盖板上方 150mm 处 400kN 的压缩力；
1.3作用在司机室前窗底梁处 300kN 的压缩力；
1.4作用在车体上 1．3 倍车体设计重量的垂向载荷；
1.5一台转向架车体一端架车和一端起吊或两台转向架整车架车和整车起吊工况下，车体自重（含车载设备）和转向架对车体的垂向拉力；设备在横向相当于 1g 惯性力、纵向相当于 3g 惯性力、垂向相当于 1.5g 至 3g 惯性力对车体的冲击；
1.6作用在车体上 1.3 倍车体设计重量的垂向载荷；
1.7作用在牵引座上的牵引力与制动力。
2 车体承载特性
从整体结构看，电力机车车体是由底架、司机室、侧墙、端墙、顶盖等组成的一个长条形的腔体结构，而且大部分和谐型电力机车带三台转向架，车体被支撑在转向架上，相当于一根两端外伸的单跨或两跨简支梁。从车体设计载荷来看，车体主要承受纵向力、垂向力和纵向铅垂面内的弯矩。根据车体受力特点和车体形状及支撑特点，可以用车体横断面来衡量车体的整体承载能力，其中横截面的面积和抗弯截面模量是衡量车体承载能力的两个主要尺度。车体承载部件设计是车体结构设计的主要内容，然而车体是由诸多部件组成的复杂结构，部件之间通过接头联接起来，车体承受的各种力通过联接接头在车体各部件之间传递，联接接头处往往会出现力流偏转和应力集中，因此承载部件之间的联接设计非常重要，尤其是主要承载部件之间的联接设计更为重要。车体承载结构图（图1）
图1
3 车体横截面设计
车体大致分为机械间段和司机室段，在机械间段车体横截面由顶盖、侧墙和底架组成，在司机室段车体横截面由司机室和底架组成。由于顶盖是通过螺栓安装固定的可拆卸结构，一般认为顶盖不是车体的主要承载结构，考察车体承载特性时不考虑顶盖，因此，对车体横截面起决定作用的是底架、侧墙和司机室的横截面设计。
3.1 底架横截面设计
以某型电力机车机械间段车体横截面来说明底架的承载特性。避开设备安装座、底架横梁和侧墙立柱位置，并且为简化起见不计地板和侧墙的孔洞，作出面积最小的车体横截面，这就是机械间段车体承载能力最弱的横截面。根据实际车型的结构，底架分为有中间纵梁和无中间纵梁两种结构。见图2
底架结构图（图2）
1-端架；2-救援吊座；3-枕梁；4-旁承梁；5-中梁；6-底架附件；7-边梁；8-底架盖板；9-缓冲座；
3.2 侧墙横截面设计
车体在车钩中心线处受偏心力作用时，截面中性轴大致穿过侧墙横截面中部，侧墙上边缘离中性轴稍远，侧墙下边缘离中性轴稍近，侧墙最大应力出现在侧墙上弦梁处，上弦梁在侧墙横截面面积中所占比例较大，而且完全位于高应力区。因此，上弦梁是侧墙的主要承载结构，要求上弦梁有足够大的横截面。侧墙中部截面应力接近零，机车机械间的通风口最好开在侧墙中部位置。
3.3 司机室横截面设计
司机室顶盖与司机室侧墙是焊接在一起的，因此司机室顶盖也参与承载，与机械间段相比，司机室段的车体横截面的承载能力更好，但司机室侧墙开有大尺寸的入口门和侧窗，削弱了司机室段的车体横截面的承载能力，门角、窗角处往往会出现应力集中现象。因此，门角、窗角应该采用大圆弧过渡，必要时增加加强筋，以减缓截面突变。（见图3）
司机室钢结构（图3）
4车体轻量化
在满足强度要求的情况下，尽量实现车体轻量化。车体轻量化可以减少列车运行阻力，降低列车牵引功率，提高速度，改善列车的运行品质。近几年我国高速铁路的蓬勃发展，对车体轻量化的要求也越来越高。随着机车速度的提高、功率的增大以及现代化程度的提高，电气设备部分的质量也逐渐增加，这就要求大幅度减轻机械部分的质量。
4．1轻型材料的应用
使用轻质复合材料制作非承载零部件，如司机室头罩、导流罩、裙板、司机室内饰件、司机室操纵台仪表盘、空调风道等。车体顶盖、司机室入口门采用铝合金制作，比碳钢产品减重约30％～40％。走廊地板采用铝板或铝蜂窝板。
4.2变截面技术的应用对承载结构进行变截面设计就是对其进行等强度设计≮采用变截面梁，内力较大处设计大截面，内力较小处设计小截面。内力主要为弯矩时设计抗弯能力好的截面，为剪力时设计抗剪能力好的截面，为扭矩时设计抗扭能力好的截面，把承载梁尽可能设计成一种等强度梁。这样，既能满足强度要求，充分发挥材料的承载能力，又能减轻结构重量。然而车体结构是复杂的，载荷也是复杂的，采用变截面梁的前提是必须充分掌握承载情况下结构的弯矩、剪力、扭矩、轴向力等各种内力的分布情况，并用有限元软件进行应力分析，准确掌握结构中的应力分布。设计变截面梁时可以根据实际情况采取不同的方案，如：保持梁宽不变，逐步改变梁高；或保持梁高不变，逐步改变梁宽；或同时改变梁宽与梁高。设计变截面梁除了要考虑内力在构件上的分布情况外，还要考虑经济性和工艺性，变截面处要平缓过渡，不能产生急剧变化的应力集中。
结束语
根据车体的受力特点和车体形状及支撑特点可以用车体横断面轴惯性矩来很好地衡量车体的整体承载能力。增大底架和侧墙上弦梁断面可以有效地提高车体横断面轴惯性矩，底架增加中间纵梁时可显著提高车体整体承载能力。车体结构设计时，要分析各种力的传递路线，分析力传递路线的薄弱环节，然后有针对性地采取有效措施，增大薄弱环节的承载能力，提高结构整体强度。车体轻量化需要从多方入手，使用变截面梁是实行轻量化的重要手段，要逐步推行车体横向梁使用变截面梁，并在纵向梁使用变截面梁方面进行探索。
参考文献
[1]杨俊杰，王立杰，李幸人，等.机车车体碰撞吸能装置结构设计与仿真分析[J].铁道机车车辆，2011，31（1）：72-75
论文作者:田亚林
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/15
标签：车体论文; 横截面论文; 截面论文; 底架论文; 司机论文; 结构论文; 电力机车论文; 《建筑学研究前沿》2018年第4期论文;