电力机车防撞车体结构设计及分析

电力机车 防撞车体结构设计及分析

韩文杰

中车大连机车车辆有限公司机车开发部 辽宁大连 116021

摘要：铁路运输的安全性和可靠性一直是公众关注的焦点。因此，本文对电力机车车体结构进行了深入分析，并对其冲击稳定性进行了研究，分析了电力机车车体结构、重载技术性能和车体结构的刚度参数，对车体纵断面结构的应力流动进行了分析，利用该模型对局部结构应力进行了优化，完善了电力机车车体的设计。【1】利用电力机车作为电气化线路的重要牵引工具，可以提高列车速度和牵引重量，这将大大提高铁路的运输能力，这也是全球公认的电力机车发展方向。首先概述了铁路车辆结构分析和碰撞安全研究的背景和重要性。简要介绍了设计强度分析和碰撞仿真的理论基础和关键技术。
关键词：电力机车、撞击、车体、结构设计

1、前言

重载是提高铁路货物运输能效的主要方向。我国已计划通过鄂尔多斯-江西、山西-鲁连-山东等重载线路运输能源，但在困难的牵引条件下，电力机车牵引状态复杂，车体复杂，载重大。为了降低电力机车碰撞事故的风险，发达国家采用了相应的碰撞安全规则，如英国GM/rt2100或49cfr等，但国家标准并未对防撞车辆的能量强度进行全面的规定。【2】当我们开始安装和谐电力机车冲击吸能装置的可能性时，对装置的功能和效率的定量分析却很少。本文介绍了电力电力机车安装前后仿真分析的方法和结果。

2、电力机车车体结构及特性

上世纪90年代，中国引进和掌握了法国8K电力机车技术。此外，根据改进后的设计，已对SS4型电力机车进行了改造，部分货运拖轮还在进行中。自01年以来，中国先后引进了德国西门子、法国阿尔斯通和日本东芝的技术。【3】近年来，通过对各种重型电力机车车体载荷的分析和实际工作，初步确定了3000kN的纵向压缩载荷和2500kN的纵向拉伸载荷。TB/T 2541-2010《电力机车车体静强度试验规程》中也确定了车体纵向压缩载荷为3000kN，GB/T 1598-2012《铁路电力机车车体设计要求》中规定：纵向拉伸载荷为2500kN。【4】重型电力电力机车车体结构基本相同，主要由骨架、座舱和后壁、内框架安装和其他主要部件的焊接、基础的形成、其他部件和总轴承结构组成。由于司机室前窗、侧窗和上盖板的功能要求，不能形成完全封闭的梁结构。根据经典的梁承式车身结构力学理论，梁的最外围部分是结构的最大力流，必须增加梁的外部质量或刚度，才能产生较高的整体荷载刚度，降低车身的变形和应力水平。重型电力电力机车的车体结构承受着结构底部气流的纵向和弯曲载荷，作为车身基础，这是最重要的车身部件，通常承载侧、中、端牵引梁、轨枕梁和变压器梁，驾驶室分隔梁底盘由封闭的、小的组成结构、局部结构、板厚、平面结构、纵向力和曲线结构流，电力机车设备在上部受力时，通过后纵梁传递到侧梁和曲线结构上，因此，中心梁和侧梁的强度和刚度要求较高。

3、耐碰撞电力机车车辆的性能要求

电力机车车辆碰撞的安全结构通常是通过安装在车钩上的吸热元件来实现的，在吸力设计中，应采用20～25km/h的碰撞速度。具有多级能量散射系统的冲击式车辆结构应满足以下要求：移动冲击速度：2.0～2.8m/s，约7～10km/h冲击动能的吸收和散射主要通过缓冲器。【5】在这种情况下，结构应保持良好状态，且容易发生碰撞：碰撞速度小于5 m/s（18 km/h），碰撞过程中的冲击能量取决于缓冲区和一些吸收元件和中间冲击；冲击速度5.0-10.0m/s冲击能量取决于吸力装置和车体末端弱刚性结构的塑性变形，会对司乘人员造成伤害；司机室和司机室的设计必须安全稳定。

4. 电力机车车辆碰撞事故分类及特征

电力机车碰撞包括列车与列车之间的碰撞，以及列车与列车上障碍物的碰撞。列车与同一轨道列车之间的碰撞，包括同一轨道（通常在支线）上的同一类型或不同类型列车之间的正面碰撞和碰撞，不同类型列车之间的侧面碰撞。列车与轨道的碰撞，包括汽车、机车、道路维修设施等碰撞。

所有碰撞中最糟糕的是火车和火车之间的碰撞。由于碰撞惯性很高，列车碰撞瞬间的巨大动能在很短的时间内以其他形式的能量消散。这种碰撞产生巨大的冲击和减速。在高速撞击下，也会造成列车结构的巨大破坏，并导致司乘人员伤亡。列车在碰撞后的反应和相关乘客的移动可以解释如下。

（1） 直线加速或减速。机车在轨道上加速或减速，机车两端结构有一定压缩。乘客可能会在撞击方向发生碰撞，并在加速或减速时在座椅上发生两次碰撞。

（2）攀爬车。一辆机车攀爬到另一辆机车的司机室顶部，被车辆上部的结构破坏而被毁坏。受压车厢内的乘客可能会被严重推挤。

5、电力机车车辆碰撞中的人体损伤机理

为了便于讨论，机车与机车的碰撞称为“一次碰撞”，人体内各部件与车辆的碰撞称为“二次碰撞”。“单体碰撞”中车身结构的塑性变形直接造成车身的破坏，车辆空间缩小，驾驶员或乘客受到压缩，造成事故。

根据人体生物力学的特点，机车车辆撞击造成的人体损伤可分为机械损伤、生物损伤和心理损伤。机械损伤是指人体在直接拥抱和加载载荷的作用下所造成的内部损伤和创伤，以及外部载荷的强度超过人体骨骼或肌肉组织的极限而引起的骨折和破裂的讽刺。心理损伤是对人类心理的一种惊讶或恐惧。

以下三个方面总结了碰撞中造成机组人员损失的主要原因。

（1） 碰撞过程过猛，传递给船员的加速度值超过人体承受极限，人体器官受损。

（2） 司机室和在碰撞中变形过大，机组人员失去生存空间死亡。

（3）机组人员在车内受到一两次“二次碰撞”而受伤。

6、结束语

当电力机车装有碰撞吸能装置时，列车碰撞速度方向一致，最大能量被缓冲器吸收，此时缓冲器压缩变形。在冲突期间，根据上述设计和计算分析，该司得出以下结论：随着列车碰撞速度的提高，碰撞边界上的峰值载荷延迟通常会减慢；临界速度，其结构为20km/h，不会损坏司机室；加装冲击吸力装置后，车体的碰撞能力大大提高。

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