重载铁路机车的车体设计

重载铁路机车的车体设计

王坤1刘倩2 方辰2

1.中车大连机车研究所有限公司 2.中车大连机车车辆有限公司116000

摘要

概述重载铁路机车研发现状。分析重载机车车体的设计原则，重载机车用车钩缓冲装置，车体钢结构的强度以及刚度分析，保证重载机车车体的强度。从铁路运输与生态环境协调发展的要求出发，从噪声和振动控制、排污系统统筹规划、绿色环保及新型材料的应用以及机车安全性能提升的四个方面分析了重载机车车体设计方向。

关键词

重载，大功率，车体结构，车钩缓冲装置，环保

我国自2004年开行大秦线重载铁路以来，相关重载的科研成果、关键技术和关键产品迅猛发展，这些成绩有力的保障了重载列车及组合列车的安全运行。但同时，这些成绩也只是单一领域内的研究，并没有集中转化为重载机车成果，甚至，在某些领域内还有所空白，因此，重载机车的系统性研究应成为目前重载技术的关键课题之一。

1.重载机车的定位

研制重载机车，首先要结合重载铁路的技术特点给重载机车一个清晰的定位。《我国重载铁路技术发展趋势》[1]一文中比较明确的提出：重载列车牵引质量一般为1万~4万吨，普遍达到2万吨左右。由此，重载机车应为单机牵引重量1万吨，重联牵引1.2万吨列车以及混合编组牵引2.4万吨组合列车的配套机车，该机车应采用包括三相交流异步电机轻量化、IGBT大功率牵引变流器和基于网络（现场总线）控制技术、具有智能化故障诊断功能等多项前沿技术，建议轴重在27吨以上。

2. 重载机车车体

2.1 车体结构

重载铁路机车受力情况非常复杂，尤其在重联牵引和混合编组牵引工况下。我国在2004年进行的大秦线采用Locotrol技术开展2万吨重载组合列车试验以及后期进行的多次重载组合列车运用试验中总结积累了大量经验和数据，在这些数据基础上，以及在近年来国内机车发展的技术储备基础上，可以提出重载机车车体的设计目标：底架承载式车体或整体承载式车体，纵向拉伸载荷4450kN和压缩载荷4000kN。这个车体强度，远远超过我国数次组合列车型式试验中取得的车体负载要求，同时，也是国际重载铁路机车车体强度的上限。

底架承载式车体的所有载荷均由底架承担，车体和侧壁只需保证自身工作所必需的强度和刚度即可，目前这种车体已被广泛应用，并日益趋向于系列化、模块化、通用化，提高部件的可维护性能同时，提高机车组装和维护的效率。例如大连机车车辆有限公司出口南非的D45型交流传动内燃机车，该车属于底架承载式车体，车体能够承受纵向拉伸载荷4450kN和压缩载荷4000kN，结构满足EN12663-1的标准。

整体承载式车体由司机室、车顶、侧墙、隔墙和底架组焊成一个整体。从受力角度来看，侧墙和底架为主要受力部件。与同样重量的底架承载式车体相比，承受同样的载荷下，整车的强度与刚度有所提升，更方便重载机车车体的设计开展[2]。如HXD3B型机车车体为中间内走廊式双司机室整体承载结构。车体纵向承载能力大，刚度大，整备状态下最低弯曲自振频率大于10Hz，通过结构强度分析及优化设计后，机车车体结构强度、变形、疲劳及寿命等指标都能达到重载机车车体强度要求。

2.2 102型车钩及缓冲装置

钩缓系统的结构与性能对重载列车的纵向力、重载列车机车的横向轮轨作用力具有较大的影响[3]。重载机车推荐装备102型车钩及缓冲装置，见图1，能够适应大功率重载货运机车，从结构和性能参数两方面体现。

图1：102型车钩及缓冲装置结构示意图

从结构上可以看到，102型车钩的结构与我们熟知的车钩有所不同，他在钩尾部增加了凸肩，这是为了在车钩偏转到一定角度后与复原块、缓冲体作用，使联挂车钩趋向回复平衡的位置，从而保持车钩不会超量摆动（因车钩联接轮廓决定了车钩联挂后是有间隙的，这种间隙会导致联挂车钩之间存在相对转动），在遭遇大冲击时，这种超量摆动会导致某一方车钩转动角度超过计算需要的转角，以致于产生非常大的车钩横向力，这种横向力对车体的稳定性危害极大，甚至造成机车脱线。其原理如图2所示：

图2：102型车钩及缓冲装置原理

102型车钩的这种结构特点也直接导致了102型缓冲装置的性能：必须在很小的行程内产生足够大的复原块顶推力，保持车钩趋向平衡位置，因此102型缓冲装置的阻抗力也非常大，因为小阻抗不足以在短行程内产生足够的车钩回复顶推力。

102型缓冲体的阻抗达到4445kN，而我们常用的MT系摩擦式缓冲器和弹性胶泥缓冲器的阻抗最大不超过2500kN。这种非常大的阻抗直接导致结果是车体强度要求将大幅增加，否则车体将会损坏。所以，102型车钩及缓冲装置的特点是：1、大阻抗；2、车钩回复功能；正是这种特点，使得102型车钩缓冲装置非常适用于大功率重载货运牵引机车。

2.3 重载机车车体强度分析

重载机车设计中，车体结构必须具有足够的强度与刚度，来满足承载的需要。根据TJ/JW 102-2016《交流传动机车司机室防撞性暂行技术规范》的具体要求，需要对司机室、底架等主要部件进行计算分析。有限元模型分析过程中尽量采用完整的计算模型，最大限度地减少模型简化。虽然计算工作量与计算周期增加，但能模拟出实际车体结构及其受力特点，减少计算误差。机车车体底架计算中，将对底架结构静强度、固有振动模态、疲劳强度进行计算。计算中依据GB/T 1335-1996 《铁道车辆强度设计及试验规范》进行工况计算分析。针对不满足刚度、强度等要求的局部结构进行修改及优化，使车体钢结构静强度和整备状态下的模态皆能够满足标准和规范的要求。

2.4 重载机车曲线通过能力分析

重载机车因为受到的冲击力较普通机车大很多，所以其曲线通过能力分析尤为重要。尤其是连挂机车车辆车钩的转角计算和机车牵引车辆通过曲线的动力学校核，主要内容是机车牵引车辆以一定速度通过特定半径曲线时，机车的车钩转角应小于规定限值。

3 未来绿色环保型重载机车设计

为了促进铁路运输生产、建设与生态环境协调发展，重载铁路机车未来将向着节约能源和绿色环保方向发展。重载铁路机车车体部分设计可以从以下几个方面进行推进。

3.1噪声和振动控制

过高的振动及噪声对人体健康及产品可靠性都会产生严重影响，振动与噪声的治理与防护，是机车设计的重要组成部分。车体通风机、空调、空压机等各类零部件的使用都将产生噪声污染，特别是内燃机车中柴油机、冷却风扇的使用已成为机车振动及噪声主要来源。所以车体部分在设计初始阶段需要梳理产生噪声的源头，分析其传递路径，并从这两方面进行消声、隔声和吸声处理。噪声的源头可以通过安装消声设备、优化设计结构、增加密封等方法达到降噪目的。噪声及振动传播过程中，可以通过采用阻尼板、声学材料进行隔声和吸声处理。以噪声要求较为严格的司机室来说，通过分析各个位置噪声贡献量，在适当区域采用相应隔声量的材料进行隔声、降噪处理，改善司机作业环境。最终达到总体技术指标要求，降低机车噪声和振动带来的环境污染。

3.2 排污系统统筹规划

机车运用以及车辆检修过程中，会产生废弃油类、脂类、水以及固体颗粒等多种污染物。在车体结构设计中，需要进行整体规划，集中收集，统一排放。避免此类污染物直接排放，污染自然环境。

3.3 绿色环保及新型材料的应用

随着现代材料技术和生产工艺的发展，大功率交流传动电力机车趋向选择安全环保、新型高性能的材料来满足绿色、环保的要求。目前高性能、纳米化、复合化的新型材料及加工制造技术都取得蓬勃发展，例如新型碳纤维复合材料密度低、性能好，承受高载荷的同时能够大大减轻重量；中空夹芯复合材料具有较好的隔音、隔热和耐疲劳等性能，可应用于车门、顶盖、内装饰板、地板和整流罩等部件。

3.4 机车安全性能提升

随着轨道车辆发展到一定的程度，对人机之间的协调性提出了更高的要求。司机室前侧及左右两侧进行防撞设计，提高瞭望视野，设置逃生出口等等设计都是为了提高机车安全性能。设计时考虑到各种操纵装置的大小、位置、运动方式，司机座椅的前后、高低调节范围，使之适合人体工程学，保证司机驾驶的舒适性及操作的便捷性，以此减轻驾驶疲劳，提高行驶安全。此外，车体设计中可通过采用新型材料、改进设计结构等多种方法提高机车产品质量，减小机车维护量，延长零部件更换周期，降低全寿命周期成本。

4.结论

通过以上分析，重载机车车体应具有较高强度的运行承载能力以及司机室防撞性能。对于大功率重载货运牵引机车推荐使用阻抗大，带有车钩回复功能的102型车钩及缓冲装置。随着全球对环境保护的重视，未来重载机车车体设计可从提高司乘人员操作舒适性以及绿色环保型机车两方面进行考虑，具体可从噪声和振动控制、排污系统统筹规划、绿色环保及新型材料的应用以及机车安全性能四个方面推进。

参考文献

[1] 康熊,宣言. 我国重载铁路技术发展趋势[J].中国铁路.2013(6)1-5

[2] 鲍维千,张永才.机车总体及转向架[M].北京:中国铁道出版社.2012.3;

[3] 张大清,王松.重载机车用102型车钩缓冲装置浅析[J].轨道装备钩缓系统应用研究学术交流会论文集,201305,116-121

王坤，女，1985年11月26日，本科生，中车大连机车研究所有限公司，员工管理专员，工程师

刘倩，女，1989年10月9日，研究生，中车大连机车车辆有限公司，车体部件设计师，工程师