500t公鐵牽引車車體鋼結構設計

（中車四方車輛有限公司,山東 青島 266111）

0 引言

公鐵牽引車是既能在軌道上作業又能公路快速轉場的特種牽引車輛，主要用于軌道車輛的牽引、調車作業，尤其以鐵路牽引作為主要任務，故車體鋼結構在設計上須滿足鐵路運營及公路轉場正常運行。

車體鋼結構作為整車承載部件，除滿足牽引、連掛強度的要求外，還為其它系統的設備提供安全可靠的安裝空間和安裝接口。綜合以上因素，設計中通過合理選用材料，分析車輛載荷，規劃整體結構，設計滿足使用要求的車體鋼結構。

1 車體鋼結構簡介

1.1 主要技術參數

車體鋼結構主要技術參數見表1：

表1 車體鋼結構主要技術參數

1.2 車體鋼結構特點

圖1 車體鋼結構

圖1是車體鋼結構示意。車體為全鋼焊接，底架中梁承載結構，安裝司機室和機器間罩的部位為焊接框架結構。主要由底架鋼結構、司機室鋼結構、機器間罩、車鉤及附屬設備組成。機器間罩、車鉤、登車腳蹬等結構使用螺栓與底架聯結。

1.3 材料選用

厚度t＜3 mm 的鋼板采用符合GB/T4171-2008的Q310GNH高強度耐候鋼，厚度3 mm≤t＜6 mm的鋼板采用符合GB/T4171-2008的Q295GNH高強度耐候鋼；厚度t≥6 mm鋼板以采用Q235B碳素結構鋼，主要的受力點及鋼結構支撐點選擇型材，材質為Q235B碳素結構鋼，均符合GB/T700-2006標準要求。

2 車體鋼結構設計

2.1 底架鋼結構

底架由端板(厚40 mm)及中梁(厚30 mm)焊接為工字型結構，邊梁及輔助橫梁、縱梁采用U12槽鋼焊接。

底架上平面鋪設有花紋地板，兩側和后端設置扶手，兩側司機室門下方及靠近車輛后端部設置登車腳蹬，前后車端設有車鉤安裝座。

底架需提供車鉤安裝座、變速箱安裝座、發動機安裝座、驅動橋安裝座等安裝接口，并根據各處載荷情況設置補強梁或補強板。

2.2 司機室鋼結構

司機室鋼結構采用壓型鋼焊接成框架結構，外側附蒙皮焊接而成，為整體防寒隔熱結構，焊接于底架前端。

2.3 機器間罩

機器間罩由骨架和蒙皮組成，采用壓形鋼焊接全包覆式結構，前后端進風口采用鋼絲編織網；兩側側門門板設通風百頁窗；在頂蓋上設水箱加水口和進排氣口。機器間罩與底架的聯接為可拆卸結構。

2.4 車鉤

前、后車鉤均為KD-5型車鉤，該車鉤自帶緩沖彈簧，適合輕型工程車輛使用。車鉤由螺栓直接安裝于底架端板。

3 底架強度計算

考慮到車體鋼結構采用底架承載方式，在此僅對底架鋼結構的強度進行考核。

3.1 有限元模型

采用Catia軟件建立底架3D模型（見圖2），并采用大型通用分析及處理軟件Hypermesh及Ansys進行有限元分析。

在Hypermesh中對底架進行幾何處理和有限元劃分，導入大型有限元分析軟件ANSYS中進行計算和后處理。采用solid185單元進行網格劃分，可以得到2 236 272個實體單元和987 800個節點。

圖2 底架鋼結構有限元模型

3.2 強度評價標準

表2為底架材料及性能參數：

表2 底架材料及性能參數

所有計算工況中，底架最大Von Mises應力均不得大于底架部件所用材料的屈服強度。

3.3 計算工況

根據GB/T11551-2014《汽車正面碰撞的乘務員保護》[1]，以5 km/h的速度連掛，得出連掛時縱向壓縮力為140 kN，施加在車鉤上；根據牽引計算得出車輛啟動時，車鉤縱向牽引力為35 kN，作用于安裝螺栓與安裝座之間的接觸面；依據TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》[2]對底架只進行拉壓工況校核。由于公鐵車車體鋼結構前后端為非對稱結構，需區分為前端連掛與后端連掛兩種情況，因此計算工況分為以下4種：

工況一：板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體后端車鉤安裝面施加縱向約束，車體前端施加140 kN壓縮力。

工況二：板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體前端車鉤安裝面施加縱向約束，車體后端施加140 kN壓縮力。

工況三：銷連接板簧安裝座施加全約束，另一板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體前端施加35 kN拉伸力。

工況四：銷連接板簧安裝座施加全約束，另一板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體后端施加35 kN拉伸力。

通過計算，得到各工況應力云圖。底架最大應力為129 MPa，發生于節點1 699 399處，位于中梁與前端板焊接處，強度安全系數為1.82＞1，滿足強度要求。工況一計算結果見圖3。

圖3 工況一計算結果

4 結論

綜合考慮500 t公鐵牽引車的運行環境、運用特點，通過合理選材、分析載荷，設計了滿足要求的車體鋼結構；并通過有限元仿真計算，驗證了車體鋼結構的強度水平，為同類型產品的設計提供了借鑒。