HXD2型交流传动电力机车车体_张江田
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Abstract: In the light of the design requirement for the carbody of HXD2 Type AC drive heavy-haul electric freight locomotive, the body structure is introduced. Main attention is paid to the structure of driver’s cab, underframe, sidewalls, top roof and the other parts. The static body strength, fatigue strength and dynamic model are analyzed. The tests indicate that the strength and modal meet the design requirement.
车体钢结构主要选用了符合EN10025 标准的2 种 S275J2G4、S355J2G4耐低温性能好的可焊结构钢，材料 屈服极限分别为275 MPa和355 MPa。这2种材料在－40℃ 条件下冲击功不小于27 J。
2 车体强度计算
2.1 车体静强度分析 2.1.1 静强度分析模型
由 于 车 体 结 构 不 完 全 对 称 ，所 以 采 用 整 车 模 型 ， 包括壳单元SHELL63和SHELL43、实体单元SOLID45、弹 簧单元COMBIN14、梁单元BEAM4、质量单元MASS21， 螺栓联接采用节点耦合方式。单元总数240 432 个，节 点总数238 377个。计算采用ANSYS8.1通用分析软件。
收稿日期：20 08 - 0 1 - 1 6 —8—
图 1 车体外形图
第2期
张江田，杨俊杰，张运伟：H XD2 型交流传动电力机车车体
车 体 的 非 承 载 部 件 包 括 顶 盖 、司 机 室 隔 墙 、司 机 室装修用多孔铝板及防寒材料、整体前窗、活动侧窗、 入口门、维修门、侧墙过滤器、走廊花纹铝地板、连接 风挡、排障器及车前和顶部的玻璃钢导流装置等。 1.1 司机室钢结构
Key words: HXD2 type electric locomotive; body; structure; strength; fatigue; modal
杨俊杰(1966-)，男，高级工 程 师 （ 教 授 级 ）， 博 士 研 究 生，现从事电力机车机械 结构设计、强度和可靠性 分析工作。
栏
2.北京交通大学 机械电子工程学院，北京 100044）
摘 要：从对HXD2型交流传动重载货运电力机车车体的设计要求出发，阐述了车体结构，重点 介绍了司机室、底架、侧墙、顶盖装置以及其他部件结构，分析了车体静强度、疲劳强度以及动力模 态。试验表明，车体的强度和模态满足设计要求。
关键词： HXD2 型电力机车；车体；结构；强度；疲劳；模态 中图分类号：U260.32;U264.2+23 文献标识码：A 文章编号：1000-128X(2008)02-0008-03
静力计算分极限垂向载荷、纵向压缩、拉伸、司机 保护、抬车、复轨、牵引杆拉压等多种工况。作用于车 体上的设备重量和车体自重乘以动荷系数1.3 就是极 限垂向载荷；车体的纵向载荷按照合同技术规范确定 为纵向压缩3 600 kN和纵向拉伸2 500 kN；其他载荷按 照UIC566要求执行。
—9—
机车电传动
人员和检修维护人员提供良好的工作环境。 HXD2 型机车车体包括承载框架和非承载部件两部
分，如图1 所示。 承载框架是由耐低温高强度钢板及钢板压型件组
焊而成的整体承载结构，包括底架、司机室钢结构、侧 墙 、后 端 墙 以 及 车 顶 连 接 横 梁 等 ，蒙 皮 采 用 波 纹 板 以 提高侧墙的承载能力。车体组装时，用4 根车顶连接横 梁将两边侧墙连接起来。车体顶部安装有 3 个可拆卸顶 盖，以便车内设备吊装和维修。
波 纹 板 侧 墙 蒙 皮 构 成 。为 适 应 底 架 后 端 的 斜 度 ，左 右 侧墙均分为前后两部分。在侧墙上设有车内各种设备 的进风口、维修门舱口及机车生活间侧窗开口等。
侧墙平面骨架只有立柱而无短横梁。这样有效减 少了侧墙组焊的工作量和焊接变形，也减少了蒙皮涨 拉带来的预应力，同时也使侧墙表面的不平度容易控 制。 1.4 顶盖装置
根据ERRI B12 RP60标准规定，结合HI材料的机械 性能，绘制了相应的 Goodman 图用来进行疲劳强度校 核。图4为S355的 Goodman图。
疲劳强度计算分垂向动载荷工况、扭转工况及牵 引 拉 杆 座 和 抗 蛇 行 、垂 向 、横 向 减 振 器 座 的 疲 劳 载 荷 工况。
计算得到垂向动载荷工况下最大应力为104 MPa， 位于侧墙中部过滤器开孔处；扭转工况下最大应力为 39 MPa，位于司机室门后立柱下圆角处；垂向减振器座 的最大应力为57 MPa ；横向减振器座的最大应力为 105 MPa。结果表明车体结构的疲劳强度满足设计要求。 2.3 车体模态分析
0 引言
HXD2 型电力机车（以下简称 HXD2 机车）主要用于 我国大秦线牵引 2 万 t 重载组合列车。机车可单机牵引 1万t，双机远程重联牵引2万t 重载列车。由于重载长大 列车的纵向冲击很大，所以机车车体的结构设计难度 大，强度要求高。
1 车体结构
车体是机车的主要承载部件之一。在机车运行过 程 中 ，车 体 除 了 要 承 受 垂 向 载 荷 外 ，还 要 承 受 纵 向 的 冲击载荷和侧向力作用，所以车体结构首先必须有足 够的强度和刚度以及较好的耐冲击韧性，以保证机车 运行的安全性和平稳性；同时要给车内设备提供足够 的安装空间，并保证其正常运转；另外，还必须为司乘
为避免与转向架等部件发生耦合振动，标准要求 车体在整备状态下发生一阶垂向弯曲振动的自振频率 不小于10 Hz。由计算得到车体一阶模态频率为11.4 Hz。 因此，车体的整体刚度满足设计要求。
3 结语
2008年1月16日，HXD2机车在大秦线牵引2万t重载 组合列车的试验圆满成功。目前HXD2 机车已经全面投 入大秦线重载运输。HXD2 机车原装车体和国产车体的 静强度和疲劳强度试验及模态试验也已经分别在法国 国家铁路试验中心和中国大同电力机车有限公司完成。 所有的试验和运行表明，HXD2 机车车体的结构、强度、 模态满足合同要求，满足大秦铁路的重载运输要求。
2008 年第 2 期 2008 年 3 月 10 日
机车电传动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
№ 2, 2008 Mar. 10, 2008
和 HXD2 型交流传动电力机车车体
谐
号
张江田 1，杨俊杰 1 ,2 ，张运伟 1
专
（1.大同电力机车有限责任公司 技术中心，山西 大同 037038 ;
每节机车有 3 块可拆卸顶盖。顶盖主体是钢板压型 槽钢骨架及钢板蒙皮组焊而成的整体框架结构。顶盖 外 侧 设 有 人 孔 盖 和 受 电 弓 、主 断 路 器 、高 压 联 接 器 等 设备的安装支座等。
顶盖用内六方螺栓从车顶盖外侧按规定扭矩锁 紧 。顶 盖 下 部 四 周 镶 嵌 整 体 式 中 空 橡 胶 密 封 条 ，保 证 车体的密封性能。 1.5 车体结构材料
枕梁主要传递由车体到转向架二系悬挂之间的垂 向和横向载荷。枕梁由2 个倒槽形的二系弹簧座和2 根 箱形梁共同组成整体结构。在枕梁底部还设有垂向减 振器座、横向止挡座及机车整体起吊座等。
变压器梁上设有牵引变压器吊挂座和牵引销座， 因此，变压器梁要承受吊挂牵引变压器的垂向载荷和 由牵引杆带来的扭转载荷的共同作用。变压器梁为鱼 腹箱型梁。
2008 年
2.1.2 静强度计算结果 对 于 压 缩 工 况 、拉 伸 工 况 、司 机 室 保 护 工 况 和 极
限垂向载荷工况以及牵引杆座拉压工况，取安全系数 为 1，抬车工况取 1.1。
计算得到在压缩工况下的最大应力为324 MPa，位 于Ⅰ端底架枕梁前端与边梁联接处；抬车工况下最大 应力为294 MPa，位于整体起吊孔与底架边梁的加强筋 处；牵引拉杆座拉压载荷工况最大应力为230 MPa，位 于低位牵引横梁处的加强筋与底架边梁联接处。车体 所有工况下各部位的应力均在允许强度之内，车体的 静强度满足设计要求。 2.2 车体疲劳强度计算
图 4 S355 Goodman 疲劳极限图
参考文献：
［1 ］ 杨俊杰，赵明元，王 挺“. 天梭 ”号交流 传动 电力机 车车 体 ［J］. 机车电传动，2005（1）.
［2］ DELERIS M. Static Calculations and Modal Analysis of the Locomotive Body Structure Technical Specification［R］. Belfort in France：ALSTOM, 2005.
司机室钢结构由前墙、侧墙及顶部结构组焊而成。 前墙上部向后倾斜 30°，由4 根封闭的梁柱组成前窗窗 口 ，下 部 由 前 墙 的 立 柱 与 蒙 皮 组 焊 成 一 体 。左 右 侧 墙 主 要 由 门 框 立 柱 与 横 、斜 梁 和 侧 板 组 成 ，顶 部 上 弦 梁 为 箱 形 结 构 ，与 侧 墙 上 弦 梁 截 面 形 状 一 致 。司 机 室 顶 角梁采用压型三维曲面板平滑过渡，在应力较高的门 窗孔角处均焊有加强的圆弧板，保证了机车承受纵向 压缩或拉伸时力的平稳传递。司机室结构如图 2 所示。
侧梁包括中部侧梁和端部侧梁，它是主要的受力 部件，由双“L”形压型件对称组焊成狭长的封闭箱体，
内部加隔板。侧梁外侧设置了吊销套孔和注砂孔。 其 他 各 纵 梁 、横 梁 除 用 以 加 强 结 构 的 稳 定 性 外 ，
分别用作车内设备、地板等处的连接和基础构件。
图 3 底架
1.3 侧墙 侧墙主要由压型槽钢立柱和上弦梁组成的骨架及
作者简介：张江田(1966-)， 男，高级工程师，现从事电 力机车车体结构设计；
Carbody for HXD2 AC Drive Electric Locomotive
ZHANG Jiang-tian1，YANG Jun-jie1,2，ZHAwk.baidu.comG Yun-wei1
(1. Technical Center, CNR Datong Electric Locomotive Co., Ltd., Datong, Shanxi 037038, China; 2. College of Electro-mechanic Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
［3］ DELERIS M. Static Validation of the Locomotive Body Structure Technical Specification［R］. Belfort in France：ALSTOM, 2005.
［4］ LEHMANN JL. Synthesis Static Structural Strength Test on Body Frame of DJ4 Locomotive［R］. Belfort in France：ALSTOM,2007.
图 2 司机室钢结构
司 机 室 结 构 体 现 了 安 全 性 、可 维 修 性 、气 密 性 及 人机工程学的完美结合。 1.2 底架
如图 3 所示，底架由牵引梁、枕梁、边梁、变压器梁 等组成，为减少机车运行风阻，底架前后两侧以 2.2° 向内倾斜。
牵引梁用来传递机车的纵向力和承受机车纵向冲 击载荷，由前后端板、侧立板、上下盖板及中间隔板组 成封闭箱体，中央为车钩箱，车钩箱前端焊有冲击座， 两侧为砂箱，侧立板上设有机车救援用吊销孔。
（上接第7 页） 2.4.3 车体模态分析 由计算得到车体一阶模态频率为11.1 Hz，高于要 求的10 Hz，因此，车体的整体刚度满足设计要求。
车体钢结构主要选用了符合EN10025 标准的2 种 S275J2G4、S355J2G4耐低温性能好的可焊结构钢，材料 屈服极限分别为275 MPa和355 MPa。这2种材料在－40℃ 条件下冲击功不小于27 J。
2 车体强度计算
2.1 车体静强度分析 2.1.1 静强度分析模型
由 于 车 体 结 构 不 完 全 对 称 ，所 以 采 用 整 车 模 型 ， 包括壳单元SHELL63和SHELL43、实体单元SOLID45、弹 簧单元COMBIN14、梁单元BEAM4、质量单元MASS21， 螺栓联接采用节点耦合方式。单元总数240 432 个，节 点总数238 377个。计算采用ANSYS8.1通用分析软件。
收稿日期：20 08 - 0 1 - 1 6 —8—
图 1 车体外形图
第2期
张江田，杨俊杰，张运伟：H XD2 型交流传动电力机车车体
车 体 的 非 承 载 部 件 包 括 顶 盖 、司 机 室 隔 墙 、司 机 室装修用多孔铝板及防寒材料、整体前窗、活动侧窗、 入口门、维修门、侧墙过滤器、走廊花纹铝地板、连接 风挡、排障器及车前和顶部的玻璃钢导流装置等。 1.1 司机室钢结构
Key words: HXD2 type electric locomotive; body; structure; strength; fatigue; modal
杨俊杰(1966-)，男，高级工 程 师 （ 教 授 级 ）， 博 士 研 究 生，现从事电力机车机械 结构设计、强度和可靠性 分析工作。
栏
2.北京交通大学 机械电子工程学院，北京 100044）
摘 要：从对HXD2型交流传动重载货运电力机车车体的设计要求出发，阐述了车体结构，重点 介绍了司机室、底架、侧墙、顶盖装置以及其他部件结构，分析了车体静强度、疲劳强度以及动力模 态。试验表明，车体的强度和模态满足设计要求。
关键词： HXD2 型电力机车；车体；结构；强度；疲劳；模态 中图分类号：U260.32;U264.2+23 文献标识码：A 文章编号：1000-128X(2008)02-0008-03
静力计算分极限垂向载荷、纵向压缩、拉伸、司机 保护、抬车、复轨、牵引杆拉压等多种工况。作用于车 体上的设备重量和车体自重乘以动荷系数1.3 就是极 限垂向载荷；车体的纵向载荷按照合同技术规范确定 为纵向压缩3 600 kN和纵向拉伸2 500 kN；其他载荷按 照UIC566要求执行。
—9—
机车电传动
人员和检修维护人员提供良好的工作环境。 HXD2 型机车车体包括承载框架和非承载部件两部
分，如图1 所示。 承载框架是由耐低温高强度钢板及钢板压型件组
焊而成的整体承载结构，包括底架、司机室钢结构、侧 墙 、后 端 墙 以 及 车 顶 连 接 横 梁 等 ，蒙 皮 采 用 波 纹 板 以 提高侧墙的承载能力。车体组装时，用4 根车顶连接横 梁将两边侧墙连接起来。车体顶部安装有 3 个可拆卸顶 盖，以便车内设备吊装和维修。
波 纹 板 侧 墙 蒙 皮 构 成 。为 适 应 底 架 后 端 的 斜 度 ，左 右 侧墙均分为前后两部分。在侧墙上设有车内各种设备 的进风口、维修门舱口及机车生活间侧窗开口等。
侧墙平面骨架只有立柱而无短横梁。这样有效减 少了侧墙组焊的工作量和焊接变形，也减少了蒙皮涨 拉带来的预应力，同时也使侧墙表面的不平度容易控 制。 1.4 顶盖装置
根据ERRI B12 RP60标准规定，结合HI材料的机械 性能，绘制了相应的 Goodman 图用来进行疲劳强度校 核。图4为S355的 Goodman图。
疲劳强度计算分垂向动载荷工况、扭转工况及牵 引 拉 杆 座 和 抗 蛇 行 、垂 向 、横 向 减 振 器 座 的 疲 劳 载 荷 工况。
计算得到垂向动载荷工况下最大应力为104 MPa， 位于侧墙中部过滤器开孔处；扭转工况下最大应力为 39 MPa，位于司机室门后立柱下圆角处；垂向减振器座 的最大应力为57 MPa ；横向减振器座的最大应力为 105 MPa。结果表明车体结构的疲劳强度满足设计要求。 2.3 车体模态分析
0 引言
HXD2 型电力机车（以下简称 HXD2 机车）主要用于 我国大秦线牵引 2 万 t 重载组合列车。机车可单机牵引 1万t，双机远程重联牵引2万t 重载列车。由于重载长大 列车的纵向冲击很大，所以机车车体的结构设计难度 大，强度要求高。
1 车体结构
车体是机车的主要承载部件之一。在机车运行过 程 中 ，车 体 除 了 要 承 受 垂 向 载 荷 外 ，还 要 承 受 纵 向 的 冲击载荷和侧向力作用，所以车体结构首先必须有足 够的强度和刚度以及较好的耐冲击韧性，以保证机车 运行的安全性和平稳性；同时要给车内设备提供足够 的安装空间，并保证其正常运转；另外，还必须为司乘
为避免与转向架等部件发生耦合振动，标准要求 车体在整备状态下发生一阶垂向弯曲振动的自振频率 不小于10 Hz。由计算得到车体一阶模态频率为11.4 Hz。 因此，车体的整体刚度满足设计要求。
3 结语
2008年1月16日，HXD2机车在大秦线牵引2万t重载 组合列车的试验圆满成功。目前HXD2 机车已经全面投 入大秦线重载运输。HXD2 机车原装车体和国产车体的 静强度和疲劳强度试验及模态试验也已经分别在法国 国家铁路试验中心和中国大同电力机车有限公司完成。 所有的试验和运行表明，HXD2 机车车体的结构、强度、 模态满足合同要求，满足大秦铁路的重载运输要求。
2008 年第 2 期 2008 年 3 月 10 日
机车电传动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
№ 2, 2008 Mar. 10, 2008
和 HXD2 型交流传动电力机车车体
谐
号
张江田 1，杨俊杰 1 ,2 ，张运伟 1
专
（1.大同电力机车有限责任公司 技术中心，山西 大同 037038 ;
每节机车有 3 块可拆卸顶盖。顶盖主体是钢板压型 槽钢骨架及钢板蒙皮组焊而成的整体框架结构。顶盖 外 侧 设 有 人 孔 盖 和 受 电 弓 、主 断 路 器 、高 压 联 接 器 等 设备的安装支座等。
顶盖用内六方螺栓从车顶盖外侧按规定扭矩锁 紧 。顶 盖 下 部 四 周 镶 嵌 整 体 式 中 空 橡 胶 密 封 条 ，保 证 车体的密封性能。 1.5 车体结构材料
枕梁主要传递由车体到转向架二系悬挂之间的垂 向和横向载荷。枕梁由2 个倒槽形的二系弹簧座和2 根 箱形梁共同组成整体结构。在枕梁底部还设有垂向减 振器座、横向止挡座及机车整体起吊座等。
变压器梁上设有牵引变压器吊挂座和牵引销座， 因此，变压器梁要承受吊挂牵引变压器的垂向载荷和 由牵引杆带来的扭转载荷的共同作用。变压器梁为鱼 腹箱型梁。
2008 年
2.1.2 静强度计算结果 对 于 压 缩 工 况 、拉 伸 工 况 、司 机 室 保 护 工 况 和 极
限垂向载荷工况以及牵引杆座拉压工况，取安全系数 为 1，抬车工况取 1.1。
计算得到在压缩工况下的最大应力为324 MPa，位 于Ⅰ端底架枕梁前端与边梁联接处；抬车工况下最大 应力为294 MPa，位于整体起吊孔与底架边梁的加强筋 处；牵引拉杆座拉压载荷工况最大应力为230 MPa，位 于低位牵引横梁处的加强筋与底架边梁联接处。车体 所有工况下各部位的应力均在允许强度之内，车体的 静强度满足设计要求。 2.2 车体疲劳强度计算
图 4 S355 Goodman 疲劳极限图
参考文献：
［1 ］ 杨俊杰，赵明元，王 挺“. 天梭 ”号交流 传动 电力机 车车 体 ［J］. 机车电传动，2005（1）.
［2］ DELERIS M. Static Calculations and Modal Analysis of the Locomotive Body Structure Technical Specification［R］. Belfort in France：ALSTOM, 2005.
司机室钢结构由前墙、侧墙及顶部结构组焊而成。 前墙上部向后倾斜 30°，由4 根封闭的梁柱组成前窗窗 口 ，下 部 由 前 墙 的 立 柱 与 蒙 皮 组 焊 成 一 体 。左 右 侧 墙 主 要 由 门 框 立 柱 与 横 、斜 梁 和 侧 板 组 成 ，顶 部 上 弦 梁 为 箱 形 结 构 ，与 侧 墙 上 弦 梁 截 面 形 状 一 致 。司 机 室 顶 角梁采用压型三维曲面板平滑过渡，在应力较高的门 窗孔角处均焊有加强的圆弧板，保证了机车承受纵向 压缩或拉伸时力的平稳传递。司机室结构如图 2 所示。
侧梁包括中部侧梁和端部侧梁，它是主要的受力 部件，由双“L”形压型件对称组焊成狭长的封闭箱体，
内部加隔板。侧梁外侧设置了吊销套孔和注砂孔。 其 他 各 纵 梁 、横 梁 除 用 以 加 强 结 构 的 稳 定 性 外 ，
分别用作车内设备、地板等处的连接和基础构件。
图 3 底架
1.3 侧墙 侧墙主要由压型槽钢立柱和上弦梁组成的骨架及
作者简介：张江田(1966-)， 男，高级工程师，现从事电 力机车车体结构设计；
Carbody for HXD2 AC Drive Electric Locomotive
ZHANG Jiang-tian1，YANG Jun-jie1,2，ZHAwk.baidu.comG Yun-wei1
(1. Technical Center, CNR Datong Electric Locomotive Co., Ltd., Datong, Shanxi 037038, China; 2. College of Electro-mechanic Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
［3］ DELERIS M. Static Validation of the Locomotive Body Structure Technical Specification［R］. Belfort in France：ALSTOM, 2005.
［4］ LEHMANN JL. Synthesis Static Structural Strength Test on Body Frame of DJ4 Locomotive［R］. Belfort in France：ALSTOM,2007.
图 2 司机室钢结构
司 机 室 结 构 体 现 了 安 全 性 、可 维 修 性 、气 密 性 及 人机工程学的完美结合。 1.2 底架
如图 3 所示，底架由牵引梁、枕梁、边梁、变压器梁 等组成，为减少机车运行风阻，底架前后两侧以 2.2° 向内倾斜。
牵引梁用来传递机车的纵向力和承受机车纵向冲 击载荷，由前后端板、侧立板、上下盖板及中间隔板组 成封闭箱体，中央为车钩箱，车钩箱前端焊有冲击座， 两侧为砂箱，侧立板上设有机车救援用吊销孔。
（上接第7 页） 2.4.3 车体模态分析 由计算得到车体一阶模态频率为11.1 Hz，高于要 求的10 Hz，因此，车体的整体刚度满足设计要求。