我国重载电力机车车体设计及技术发展.docx
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我国重载电力机车车体设计及技术发展
我国重载电力机车车体设计及技术发展
金希红
（南车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001）
摘要：
结合我国现有的重载直流传动机车及交流传动机车的运行情况，介绍了我国重载机车车体的技术现状及主要特点，根据重载机车的技术特点，着重阐述了重载机车车体设计，并提出了重载机车车体的技术发展方向。
关键词：
重载电力机车；车体；技术现状；设计；技术发展
中图分类号：
U260.32
文献标识码：
A
文章编号：
1672-1187（2009）01-0012-05
Designandtechnologydevelopmentofdomesticoverloadingelectriclocomotivecarbody
JINXi-hong
（CSRZhuzhouElectricLocomotiveCo.，Ltd.，Zhuzhou412001，China）
Abstract:
CombiningwiththerunningstatusofdomesticexistingDCandACdriveoverloadingelectriclocomotive,thispaperpresentsthestatusoftechnologyandmaincharacteristicsoftheoverloadingelectriclocomotivecarbody.Accordingtoitscharacteristicsoftechnology,thedesignofoverloadingelectriclocomotivecarbodyisdetailed,andthedirectionoftechnologydevelopmentforoverloadingelectriclocomotivecarbodyisbroughtforward.
keywords：
overloadingelectriclocomotive；carbody；presentstatusoftechnology；design；developmentoftechnology
0引言
重载、高速已经成为当今铁路货运、客运发展的两个主流方向，尤其在货运方面，随着铁路货运向重载方向发展，大功率重载机车几乎已成为重载运输的代名词。
进入2000年以来，我国在引进、消化吸收国外先进技术，特别是大功率交流传动技术的基础上，先后生产了DJ1、HXD1及HXD2等型号重载运输用交流传动机车，并在大秦线担当两万吨重载运输，目前正在研制生产大功率6轴交流传动机车（HXD1B、HXD2B型机车）。
重载牵引运输环境条件下机车受力情况复杂，承受载荷较大，因此重载电力机车车体设计及其技术开发也显得越来越重要。
1我国重载电力机车车体技术现状及特点
目前国产重载直流电力机车主要以SS4、SS4改及SS4B型机车为代表，它们是目前国内功率最大的重载货运直流电力机车，在干线重载运输，特别是近几年大秦万吨重载运输中发挥了重要作用。
2001年以来我国陆续引进德国西门子公司及法国阿尔斯通公司的技术先后生产了DJ1、HXD1、HXD2型重载交流传动电力机车，随着国家重载运输的需要，目前我们正在研制生产HXD1B、HXD2B型重载电力机车。
1.1车体总体结构
重载直流机车以SS4系列机车为代表，SS4改及SS4B型机车车体是在SS4型机车车体技术基础上，引进吸收8K机车、6K机车车体先进技术，并以模块化、简统化为设计原则，形成了车体整体承载、底架纵向双边大梁结构、车内两侧走廊、侧墙整体通风、大顶盖结构等特点的8轴电力机车车体。
车体承载结构由底架、司机室、侧墙、后端墙、车内设备安装台架等主要部件焊接而成，车体材料采用优质碳素结构钢或低合金高强度钢。
在当时的工艺条件下，大顶盖结构可以使机车采用预布线和预布管的先进工艺，方便施工，缩短了生产周期，改善了施工条件，为提高机车组装质量创造了条件。
重载交流传动机车以DJ1、HXD1型机车为代表，这两种机车车体结构型式类同，车体主要由底架、司机室、侧墙、后端墙、车内设备安装骨架梁及车体附属结构件等主要部件焊接构成一体，车体顶盖可拆卸，以便于车内设备吊装，整个车体组成一箱形壳体结构。
该车体不同于SS4改及SS4B型机车的大顶盖结构，而是采用小顶盖结构，侧墙采用带上倾斜结构的网架式结构，侧墙顶部倾斜面上留有窗口，用于安装通风过滤器。
该结构并与之相接合的顶盖结构形式是欧洲大部分机车车体广泛采用的结构形式。
这种车体结构不仅能够便于安装通风过滤窗口，而且能够有效地提高车体整体结构强度和刚度。
目前重载机车车内机械间走廊布置采用两种型式，由于直流机车设备布置的特点及采用敞开式侧墙通风型式，SS4系列机车车内机械间采用两侧走廊方式，车内两侧设置有各室门骨架与侧墙顶部连接，车内需设计独立的车内设备安装台架，结构较为复杂。
而交流传动机车普遍采用侧墙独立通风方式，如DJ1、HXD1型机车车内机械间采用中央走廊方式，车内设备安装骨架主要采用导轨式安装结构，便于实现车内设备的模块化设计及其安装，结构较为简单。
在技术标准的采用方面，国内原有直流机车车体（如SS4系列）主要采用铁标及国标等相关标准，如车体结构强度设计参照GB3317-82、TB1335、TB2451等，司机室结构设计及布置方面主要参照GB6770、TB2867、TB2868等相关标准。
而现在重载交流传动机车普遍采用UIC651、UIC566、UIC617、EN12663、DIN6700等相关标准，并在消化吸收的基础上，结合国内现有技术标准综合采用。
1.2车体结构强度
为适应重载运输需要，车体必须具有足够的强度和刚度，国内目前在车体结构强度计算分析方面积累了一定的经验，此前重载直流机车（如SS4型机车）车体结构强度计算主要载荷工况之一按照GB3317-82《电力机车通用技术条件》中的5.3条，即车体底架上承受相当于运行状态时设备产生的垂直载荷的同时，沿车钩纵向中心线施加不少于1960kN的纵向静态压缩载荷，车体结构的最大应力不超过材料的许用应力值，其他计算工况按照列车的实际运行状态而制定的。
但当时机车的牵引吨位为4000～5000t左右，随着近几年铁路货运向重载方向发展，特别是大秦线开行2万吨牵引列车，SS4改型机车车体所受的载荷较以往单台机车车体要复杂，在运用中车体局部结构也出现过问题，如车钩箱从板座、变压器安装梁等开裂的现象，特别是在钩缓系统中出现车钩裂纹、缓冲器实效等问题，相应地我们对出现的问题进行了详细分析并予以解决，这些问题的解决也为后续研制重载机车车体提供了很好的借鉴作用。
尽管GB3317-82、TB1335与EN12663、UIC566等国外相关标准规定的载荷接近，考虑到国内重载运输的实际情况，这些标准所规定的部分载荷条件已不能满足重载机车车体承载要求。
近年来国内引进先进技术生产的重载交流传动机车车体载荷要求相应进行了提高，如HXD1型机车车体纵向压缩载荷及拉伸载荷为2450kN，正在研制的6轴大功率电力机车车体车体纵向压缩载荷为3000kN，拉伸载荷为2500kN，其它载荷条件参照EN12663及UIC566。
通过强度计算、试验及实际线路运行状况来看，按照这种载荷条件及标准确定的设计载荷应该说是比较科学的，既考虑了重载运输的实际运营条件，又避免了载荷取得过大而增加设计难度及制造成本。
1.3钩缓系统
SS4型机车最初采用13号普通铸钢（B级钢）车钩，缓冲器采用MX-1型摩擦橡胶缓冲器，由于普通铸钢车钩抗拉强度低，不能适应重载货运机车要求，因此后续SS4改型机车及SS4B型机车均采用了13号C级钢车钩，而在大秦线承担万吨重载运输的SS4改型机车近几年均采用了抗拉强度更高的13号E级钢车钩，其车钩静拉破坏强度为3800kN。
就缓冲器而言，SS4型机车采用了MT-2或MT-3型弹簧摩擦式缓冲器，该型缓冲器具有容量大、稳定性好等特点，其容量≥50kJ。
为适应大秦线重载运输的要求，近年来SS4改及SS4B型机车也陆续安装有容量更大的弹性胶泥缓冲器，其容量≥100kJ。
目前在大秦线担当重载运输的交流传动机车，如HXD2型机车整套采用法维莱技术的钩缓系统，它与我们传统的13号机车车钩不同，尽管在运用初期钩缓系统曾出现过问题，但经过整改后已基本正常。
而HXD1型机车仍然采用传统的13号车钩，车钩材质为E级钢车钩,缓冲器采用QK100型大容量胶泥缓冲器，该缓冲器具有容量大、阻抗力小、结构简单、性能稳定、体积小、重量轻的优点，尽管在大秦线运用初期也存在胶泥芯子裂损和胶泥泄漏的现象，但经过在胶泥芯子和壳体之间增加一个起辅助缓冲作用的弹性体等相关改进后，目前已运用正常。
1.4车体结构材料
在车体选材方面，车体设计中以往考虑的指标主要是钢材的抗拉强度及屈服强度，随着车体对钢材性能要求的提高，重载机车车体仅仅考虑钢材的抗拉强度及屈服强度是远远不够的，还需对钢材的其余性能作综合考虑。
例如，对于要求在低温环境（－20℃以下）使用的机车，其钢材的韧脆转变温度就必须考虑在内。
SS4系列机车车体主体承载结构材料采用优质碳素结构钢Q235A或低合金高强度钢Q345A等钢材，而DJ1、HXD1型机车车体参照欧洲标准（其中主要是EN10025、EN10029标准，钢板材料牌号以S355NL为主），通过对相关欧洲标准研究以及国内常用钢材性能的对比分析，选择了与欧洲标准相对应的、具有低温性能好的Q345E、16MnDR、16MnL等国产钢材，使车体能满足－40℃环境条件下的运行要求。
目前我国重载电力机车车体承载结构用钢材的主要机械性能参数如表1所示.
2我国重载电力机车车体设计
2.1车体总体结构设计
重载电力机车车体主体承载结构以底架为主，从表2可以看出底架结构重量在车体总重量中占的比重较大，HXD1型机车车体底架重量占车体总重量的64.5％，SS4改型机车车体底架重量占车体总重量的46.5％，为了保证结构强度满足要求，在重量分配中底架重量明显高于其它承载结构部件，特别在国外，重载货运机车均采用以底架为主、其它部件共同参与的整体承载结构，例如，西门子公司生产的EG3100机车车体底架中的侧梁采用整块钢板结构，这不仅使底架结构强度高，而且底架重量比重的增加有利于降低车体整个重心高度，将有利于改善机车动力学性能。
此外如何进行车体重量的合理分配将是车体设计需要着重研究的问题，由于重载机车在运行中纵向牵引力及纵向瞬时冲击力大，车体所受的纵向载荷大，车体承载结构设计的重点是合理设计各部件结构，使纵向载荷进行合理的传递，即力流平缓地进行传递，并形成封闭环，有效地将车体载荷分配到主要承载部件上，共同参与载荷的传递，即我们通常所说的整体承载，从而能有效地降低车体在纵向及垂向载荷作用下的变形，实现降低车体应力水平的目的。
在目前研制的6轴机车（HXD1B）中，车体承载结构纵向力流分布如图1中箭头所示，由于底架采用侧梁加中梁的框架式承载结构，纵向载荷通过端牵引梁传递至两侧梁及中梁，侧梁及贯通式中梁为箱型梁结构，设计具有足够的强度，它们一起构成车体纵向力的主要传递路径，此外纵向载荷还通过底架前端牵引梁传递至司机室两侧弯梁，再由其传递至侧墙上弦梁，从而形成纵向封闭环承载结构的另一传递路径。
在车体设计中我们仅考虑车体的结构静强度满足要求是不够的，同时还需考虑车体的刚度对车体承载结构疲劳强度的影响，局部刚度过大或刚度不协调往往都会对车体的疲劳强度带来影响，尤其在车体承受交变载荷的部位，局部刚度过大往往会引起局部结构应力集中，因此在设计和处理应力集中引起的疲劳强度问题时，应从协调刚度出发，不应简单地降低应力水平，而应使刚度协调。
2.2底架结构设计
SS4系列机车车体底架采用框架式承载结构，底架由侧梁、端牵引梁、枕梁、变压器梁等组成。
该底架结构无中梁，底架纵向力主要由车钩箱通过端牵引梁向两侧梁传递，因此其侧梁的强度和刚度要求较高，特别是底架侧梁与端牵引梁连接处所受弯矩大。
受结构限制，力流分布不均匀，结构受力复杂，应力较大，如底架侧梁与端牵引梁连接处局部应力接近200MPa，使SS4改型机车车体纵向载荷进一步加大受到限制。
而HXD1型机车车体采用框架式带贯通式中梁的主承载结构，主要结构重量将以底架为主，通过中梁可承担部分纵向和垂向载荷，不仅能有效改善底架的受力状况，减缓侧梁及侧梁与两端牵引梁连接处的受力，而且也能减少司机室和侧墙的局部应力。
由于受到变压器安装方式的限制，国内重载直流机车车体无法实现中梁贯通，因此底架没有设置贯通式中梁结构。
传统的直流机车底架枕梁、变压器安装梁等主要横向梁与侧梁连接采用搭接式连接，连接焊缝处于同一截面内，对焊缝受力会产生不利影响。
目前HXD1型机车及正在研制的大功率6轴机车（HXD1B）车体底架主要横向梁与侧梁连接采用插入连接，不仅能有效地提高连接处的强度，而且还能避免搭接式因焊缝缺陷造成局部强度降低，从而改善连接处的受力情况。
2.3司机室结构设计
对重载机车司机室而言，司机室钢结构需合理进行结构梁的布置，使底架纵向力流沿司机室钢结构两侧及中部合理传递，最大程度地发挥其承载作用，HXD1型机车及正在研制的6轴机车（HXD1B）整个司机室钢结构主要由纵向、水平、横向三个方向的梁结构及两侧的门立柱等槽形梁组成，并尽可能与其它结构形成封闭断面环结构，使司机室具有足够的强度和刚度，其中底部腰梁、中部腰梁、顶部腰梁、两侧纵向角梁、顶部前后横梁、门立柱等构成司机室钢结构的主要承载结构，并与其它纵向和横向梁一起形成一网架梁结构，此外司机室前部设计一结构强化区域，使其能承受300kN的均布压力载荷，起安全保护作用。
图2为HXD1型机车司机室钢结构力流分布图，根据车体纵向力的传递特点和司机室保护工况的要求，司机室的主要质量分配给传递纵向力和提高车体整体刚度的前墙、左侧墙和右侧墙，司机室顶盖结构质量仅占司机室结构总质量的14％，且在顶盖骨架角钢梁件上开有大量圆形减重孔，保证结构最轻，且具有较高的结构刚度。
2.4侧墙结构设计
重载机车车体侧墙结构一般有框架式、桁架式、网架式等，根据侧墙蒙皮结构的不同，还有采用波纹板结构型式的侧墙，如HXD2型机车。
框架式侧墙结构在传统机车车体中应用较广，其特点是侧墙易于实现开通风口等，但是由于孔洞的存在，减少了蒙皮面积，因此刚度下降，从而降低了承载能力，目前国内SS4系列机车车体侧墙就采用这种结构（见图3），而桁架式结构很少采用，因为不易实现侧墙开口。
目前重载交流传动机车车体大多采用网架式侧墙结构，侧墙立柱及横梁布置均匀，而梁结构不需设计太强，但需保证一定的结构刚度。
如HXD1型机车及正在研制的6轴机车（HXD1B）即采用这种结构。
这种结构具有较轻的结构自重和较大的结构刚度，主要体现在用分段带有牙型的角型梁代替SS4系列机车经常使用的乙型梁和槽型梁，能避免焊接变形、易于实现侧墙蒙皮调平。
此外由于结构内部能实现油漆涂装而具有良好的抗腐蚀性能，其结构如图4所示，侧墙采用带上倾斜结构，上弦梁与车体底架侧梁、司机室顶侧纵向梁形成一封闭环状承载结构，在车体纵向力的传递中发挥着重要作用。
2.5车体结构的抗疲劳设计
相比欧洲及日本等发达国家而言，目前我国在车体研制开发方面的手段还相对不足，主要停留在经验设计和静强度设计阶段，车体结构抗疲劳设计方面都存在不足。
近年来在重载机车车体设计中逐步引入了结构疲劳强度设计理念，例如引进西门子公司技术研制生产的HXD1型机车车体在结构疲劳强度设计技术方面值得我们学习和借鉴，该车体结构特别注重局部结构的疲劳强度设计，有效地减少局部结构应力集中，并且在整个焊接结构设计中严格按照DIN6700-3标准进行设计。
正在研制的6轴机车（HXD1B）车体同样在引进、消化吸收HXD1型机车车体先进技术的基础上进行设计，整个车体结构从静强度、疲劳强度、寿命计算及模态分析等方面进行计算分析，并对局部结构进行优化比较。
该车体计算分析结果表明，在车体承载结构中，最低疲劳寿命为9.3989×106km，车体主体承载结构及其它主要关键部件结构疲劳寿命均满足设计要求（设计疲劳寿命大于9×106km）。
2.6车体焊接结构设计
重载机车车体承受载荷较大，通过增加钢板厚度是提高结构强度的主要手段之一，但如何设计合理的焊接连接结构及采用合适的焊接接头是充分发挥母材承载作用的主要因素。
在车体结构设计中需尽可能降低应力集中，保证结构件上的作用力均匀分布；对截面变化较大的部位应采取较大的过渡结构，避免截面突变，例如底架侧梁与端牵引梁连接处结构是受力截面变化大的部位，结构应力也相对较大，焊接结构设计得不好很容易引起应力集中而导致局部应力过大，因此该部位结构应平缓过渡，减少局部应力集中，使焊缝避开大应力点，从而使纵向力得到合理传递。
图5为HXD1B型机车车体底架侧梁与端牵引梁连接处结构，图6为该处结构应力分布图，该处最大应力为171MPa，远低于焊缝许用应力值286MPa。
此外，在焊接结构设计中还可通过其它多种方式改善结构受力，如优先选用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；采用角焊缝时最好用双面焊缝，避免使用单面焊缝；焊缝应位于低应力区等。
近几年在引进、消化吸收国外机车车体设计的技术基础上，我们对车体焊接结构设计有了很多新的认识，并加以借鉴利用，目前车体焊接结构设计也引入了国外相关标准，如目前HXD1及HXD1B型机车均采用DIN6700-3标准进行设计。
3我国重载电力机车车体技术发展铁路运输一直是制约国民经济发展的主要瓶颈，而发展重载运输是目前及今后一段时期中国铁路发展的主要方向，近年来国家加大了对铁路建设及运输装备制造的投入，相应地在重载运输技术上的投入也将加大，因此重载电力机车车体技术也将得到不断发展。
具体体现在以下几方面：
1）车体结构重量大，在保证承载结构强度的情况下需进一步优化车体结构。
目前我国重载货运机车主要以23t及25t轴重电力机车为主，后续可能将研制轴重更大的货运重载电力机车，机车重量也将显著增加，车体结构强度也将进一步增强，在保证车体具有一定结构强度的情况下如何合理分配及消化车体的重量，通过强度计算分析及优化车体承载结构将是今后重载电力机车车体技术发展的主要方向。
2）车体结构进一步向通用化、模块化技术发展。
结构的模块化具有较强的灵活性和通用性，缩短了车体研发周期，极大地提高了设计制造效率和质量。
在传统的直流机车车体设计中，我们对结构的通用化、模块化考虑得相对不足，而国外一些企业建立了较为完整的产品技术平台，通用化、模块化设计程度高，如引进西门子技术生产的DJ1型机车及HXD1型机车车体在模块化程度方面明显优于国内原有机车车体设计。
3）车体强度计算分析手段进一步提高，车体结构向高可靠性方向发展。
结构强度一直以来是车体研发人员重点关注的问题，以往设计大多局限于车体静强度计算分析，对疲劳强度计算分析较少。
近年来国内对车体结构强度计算分析加大了投入力度，并与国内外科研院所广泛开展合作，进行车体疲劳强度计算及寿命预测分析，此外还辅以线路运行中的动应力测试进行评估，这些计算分析及试验手段的结合大大提高了国内车体的研发水平。
4）车体技术标准体系进一步完善。
技术标准是衡量一个产品水平高低的重要因素。
我国原有直流机车车体设计主要采用国标及铁标，尽管也能满足当时国内机车车体的设计及用户的运用需要，但随着国内外车体技术水平的发展，原有的标准不能完全适应技术发展及国际竞争的需要。
在引进、消化吸收国外先进技术的技术上，车体设计相关的技术标准也得以引进并采用，如UIC、EN、DIN等相关标准，这些标准的消化吸收及采用对提升国内车体研发水平起到了很大的促进作用，并将进一步发展。
5）重载钩缓系统的开发和应用也将进一步发展。
重载组合列车动力学性能涉及多种复杂因素，尤其是制动性能与车钩力的分析一直是重载列车研究的重点，其对钩缓系统的要求也越来越高，稳定可靠的钩缓系统是重载运输的需要，也是关系行车安全的需要，因此重载钩缓系统的研究与应用将是以后重载机车车体设计需要关注的重点。
6）车体碰撞吸能技术得到应用与发展。
近年来西门子公司在DJ1及HXD1型机车车体设计中，采用碰撞变形吸能技术这一设计思路。
在引进消化的基础上，国内对重载机车碰撞能量吸收系统的组成，能量吸收系统的作用过程，碰撞能量吸收元件性能的参数匹配关系等进行了研究，并对重载机车碰撞能量吸收系统进行仿真分析，证明该技术能对重载机车车体起到很好的保护作用，有利于列车系统的安全。
目前研制生产的6轴机车（HXD1B）也采用这一技术，后续重载机车车体设计中还将对其作进一步研究。
7）司机室密封及减振降噪技术进一步提高。
近年来用户对机车司机室的舒适性要求也提出了更高的要求，相应地对密封性及噪声要求也更严格，因此司机室密封设计及减振降噪设计是车体目前需要研究和关注的重点内容。
由于司机室密封及减振降噪技术涉及振动学、声学、材料等多学科技术，以往主要基于经验设计，如何科学合理并在基于数值计算分析基础上开展车体密封及减振降噪技术研究是今后进一步发展的方向
4结束语
今后及相当长的时期内铁路运输仍将在国民经济中发挥重要作用，随着重载运输及其技术的发展，开展重载机车车体设计及相关技术的研究也显得越来越重要，特别是近年来国内相关企业在引进、消化吸收国外先进技术的基础上进行了卓有成就的技术再创新，重载电力机车车体技术得到了进一步发展，逐步缩小了与西门子等国外知名大公司的技术差距，为我国重载电力机车的发展奠定了良好的技术基础。
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