HXD2型交流传动电力机车车体_张江田
2008年第2期 2008年3月10日
机 车 电 传 动ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
№2, 2008Mar. 10, 2008
和谐号专栏
摘
HXD2型交流传动电力机车车体
杨俊杰1,2，张运伟1 张江田1，
（1.大同电力机车有限责任公司技术中心，山西大同037038;
2.北京交通大学机械电子工程学院， 北京100044）
阐述了车体结构，重点要：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，
作者简介：张江田(1966-)，男，高级工程师，现从事电
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力机车车体结构设计；
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
Carbody for HXD2 AC Drive Electric Locomotive
ZHANG Jiang-tian1，YANG Jun-jie1,2，ZHANG 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)
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
。
Abstract:In the light of the design requirement for the carbody of HXD2 Type AC drive heavy-haulelectric freight locomotive, the body structure is introduced. Main attention is paid to the structure ofdriver’s cab, underframe, sidewalls, top roof and the other parts. The static body strength, fatigue strengthand dynamic model are analyzed. The tests indicate that the strength and modal meet the design requirement.
Key words:HXD2 type electric locomotive; body; structure; strength; fatigue; modal
0引言
（以下简称HXD2机车）主要用于HXD2型电力机车
我国大秦线牵引2万t重载组合列车。机车可单机牵引
双机远程重联牵引2万t重载列车。由于重载长大1万t，
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。
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。
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
收稿日期：2008-01-16—8—
图1车体外形图
第2期 张江田，杨俊杰，张运伟：HXD2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
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。
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。
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。
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
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
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27J。
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SOLID4更多内容请访问久久建筑网
5、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240432个，节点总数238377个。计算采用ANSYS8.1通用分析软件。
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3600kN和纵向拉伸2500kN；其他载荷按照UIC566要求执行
。
—9—
机 车 电 传 动
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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324MPa，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294MPa，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230MPa，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
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104MPa，位于侧墙中部过滤器开孔处；扭转工况下最大应力为位于司机室门后立柱下圆角处；垂向减振器座39MPa，
的最大应力为57MPa；横向减振器座的最大应力为
结果表明车体结构的疲劳强度满足设计要求。105MPa。
2.3车体模态分析
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10Hz。由计算得到车体一阶模态频率为11.4Hz。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。
强度、所有的试验和运行表明，HXD2机车车体的结构、
模态满足合同要求，满足大秦铁路的重载运输要求。参考文献：
［1］杨俊杰，赵明元，王
挺“号交流传动电力机车车体.天梭”
［J］（1）. 机车电传动，2005.
［2］DELERIS M. Static Calculations and Modal Analysis of the
［R］Locomotive Body Structure Technical Specification.Belfort
in France：ALSTOM, 2005.
［3］DELERIS M.Static Validation of the Locomotive Body Structure
［R］Technical Specification.Belfort in France：ALSTOM, 2005.［4］LEHMANN JL.Synthesis Static Structural Strength Test on Body
图4
S355Goodman疲劳极限图
［R］Frame of DJ4 Locomotive.Belfort in France：
ALSTOM,2007.
（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11.1Hz，高于要求的10Hz，因此，车体的整体刚度满足设计要求。
和整体刚度满足设计要求，可以满足大秦线2万t重载
货运牵引。参考文献：
［1］B061023672D0,Static calculations and modal analysis of th［S］e locomotive body structure technical specification.
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