关于机车车体结构的探讨

电力机车概论
关于机车车体结构的探讨
班级：电1406-4
姓名：刘东
学号：20142801
关于机车车体结构的探讨
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。

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，而且大部分电力机车带两台转向架，也有极少数带3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。

2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。

2.1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。

有中间纵梁和无中间纵梁情况下对纵向力的承载能力对比分析如表1所列，表中F为车体两端车钩
中心线位置施加的压缩力。

图1、图2分别为底架无中间纵梁和有中间纵梁车体横截示意图。

从两种情况来看，在车钩中心线处受偏心力作用时，底架完全处于车体横截面高应力区域，且其横截面积相对较大，底架是车体的主要承载结构;有中间纵梁时，底架与侧墙最大应力比无中间纵梁情况下，分别降低约13%和5%，且纵向力流传递更顺畅。

因此，底架增加中间纵梁可显著提高车体的承载能力。

若底架布置为若干小纵梁时，则横截面内必须呈对称布置，否则车体横截面形心会偏离纵向力所在铅垂面而导致纵向力在水平面内产生弯矩。

即使如此，在小纵梁横截面积之和与中间纵梁相等且高度相同时，由于中间纵梁横截面形心更远离车体横截面中性轴，因此，两侧布置若干小纵梁时底架的承载能力仍然不如中间纵梁，且纵向力流传递也不及中间纵梁顺畅。

2.2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J险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车体承载部件联接设计
车体承载部件主要有底架、侧墙和司机室。

底架与侧墙和司机室之间传递的力较小，因此，底架与侧墙和司机室之间采用角焊缝联接。

司机室与侧墙之间传力较大的部位在侧墙上弦梁与司机室顶部纵梁联接处，采用对接焊缝联接，其余部位采用角焊缝联接。

底架是车体主要承载结构，机车车体、车载设备等全部由其承担，大部分牵引力及制动力通过它传递，其组成主要包括牵引梁、边梁、中间纵梁、变压器梁、枕梁等。

牵引梁主要传递牵引力和制动力;边梁和中间纵梁不但要传递牵引力和制动力，而且还要承受设备重力和设备冲击载荷，并把设备重力和设备冲击载荷传递给枕梁;变压器梁承受变压器的重力及其冲击载荷，并把这些载荷传递给中间纵梁和边梁;枕梁承受整个车体和安装于车体的所有设备的重力及冲击载荷，并把这些载荷全部传递给转向架。

3.1牵引梁与边梁的联接
牵引梁位于底架两端，焊接在边梁和中间纵梁端部，是底架的端部结构。

牵引梁是安装车钩的部位，大部分机车车体的牵引座也安装于牵引梁下方，因此牵引梁是机车牵引力和制动力向车辆传递的必经环节。

多数车型牵引梁与边梁之间的联接采用直接对接设计。

由于车钩和牵引座与车体横截面形心存在一段高差，导致牵引力和制动力会对车体横截面产生很大的弯矩。

牵引梁与边梁的联接部位距离车体横截面中性轴较远，除了产生拉伸正应力或压缩正应力外，还会产生很大的弯曲正应力，而且这两种正应力是同方向的，叠加后的合成正应力更大。

图3和图4所示是后端牵引梁与边梁联接的两种方式。

图3中，牵引梁与边梁之间的焊缝主要布置在与牵引力和制动力垂直的平面内，牵引梁下盖板与边梁之间的焊缝还处在截面转折处，在牵引力和制动力作用下，这两条焊缝将要承受很大的正应力，而且焊缝许用应力比母材许用应力低，很容易因强度不足而出现开裂。

图4中，牵引梁与边梁之间是这样联接的，把牵引梁的前端板和后端板插入边梁C形梁中，形成两条与牵引力垂直的焊缝，由于焊缝所在的车体横截面面积较大，焊缝处正应力较低。

把下盖板插入边梁C形梁下翼缺口中，形成一条与牵引力平行的焊缝，牵引梁上盖板与边梁C形梁上翼形成与牵引力平行的焊缝，这样使牵引梁与边梁接口的承载能力大幅度提高。

3.2变压器梁与边梁的联接
变压器梁主要承载变压器的重力和垂向冲击载荷，其次还要承载车上其他设备的一部分重力和垂向冲击载荷，再把所承受的设备重力全部(无中梁底架)或大部分(有中梁底架)传递给边梁，这时变压器梁相当于承受均布载荷(车上设备重力)和对称集中载荷(变压器重力)作用的两端固定支座梁。

作出变压器梁内力图可知，变压器梁与边梁之间的联接接头处弯矩为零但有很大的剪力，是承载薄弱环节。

针对这个受力特点，变压器梁在与边梁相联接的两端应该具有很好的抗剪能力，工字钢梁就能很好地满足这个要求。

工字钢梁的特点是腹板具有优良的抗剪能力，翼板具有优良的抗弯能力。

因此很多变压器梁都采用工字钢梁，把变压器梁端部的腹板嵌入边梁的C形梁，分别与C形梁和边梁盖板焊接，这时变压器梁端部成了图5所示的嵌入段不受力的超静定结构，变压器梁固定支座处的剪力完全由变压器梁腹板母材承担。

如果变压器梁端部与边梁采用表面联接，即变压器梁腹板端部与边梁盖板表面之间形成图6所示的T形焊接接头，则联接处的承载截面全部为焊缝，即使充分焊透，焊缝截面面积也不会超过变压器梁腹板的截面面积，而且焊缝的抗剪能力远不如母材，因此变压器梁与边梁采用表面联接会形成结构传力的薄弱环节。

变压器梁下翼板和充当上翼板的地板与边梁的C型梁对接或搭接焊接，主要承受变压器引起的纵向冲击载荷。

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%一40%o走廊地板采用铝板或铝蜂窝板。

4.2断续焊缝的设计
结构中不需承载的联系焊缝可按照图10设计成断续焊缝，在梁的焊缝间隙段开缺口，非缺口段即形成段焊焊脚，这样不但便于施焊操作，减小焊接变形，而且减轻了结构的重量。

4.3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。

5结语
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。