电力机车车体耐冲击性能分析
电力机车车体耐冲击性能分析 摘要：文章以南非某型电力机车为例，主要介绍了车体 耐冲击设计、冲击仿真分析和冲击试验结果等情况，并对车 体耐冲击性能特点进行了简要的分析和总结。文章不仅可作 为指导该型机车在线运行中冲击安全性的参考依据，也为今 后类似机车车体的耐冲击设计提供了一条可靠的技术路径 和一类安全性的设计方法。关键词：电力机车；
车体；
耐冲击性；
计算；
试验 引言 中车株机公司为南非研制生产的某型电力机车（以下简 称南非电力机车）主要用于南非铁路一般货物运输。基于技 术发展的需求、用户应用的要求以及南非国内碰撞事故多发 等情况，南非电力机车车体耐冲击性能设计从整体上提出了 一定的考量，具体从车体耐冲击性设计、耐冲击性计算分析、 耐冲击性试验验证等方面做了相应的工作。以下将以该型电 力机车为研究对象，探讨电力机车车体的耐冲击性能，为今 后类似机车车体的耐冲击设计技术路径和安全性设计方法 提供参考依据。
1机车耐冲击性要求 1.1耐冲击性标准和规范 随着列车运行速度和载重量的不断提高，以及人们对机 车司乘人员安全性要求的不断提高，机车车体耐冲击性能设 计的重要性也越来越凸显出来。国际上提出了机车车体耐冲击被动安全性概念，并形成了两个较为主流的标准文件―― 欧洲标准BSEN15227和美国标准AARS580（欧洲2008年、美国 1989年），这两个标准均对机车车体耐冲击性的具体实现方 法作了相应的要求。鉴于这两个标准要求较高，其他国家和 地区一般根据自己铁路的实际状况和需求对机车车体耐冲 击性提出自己的要求，也有部分国家参考这两个标准的全部 或部分条款内容执行。
1.2南非电力机车车体耐冲击性要求 对于南非电力机车车体的耐冲击性能，南非用户并没有 要求按哪个标准执行，但是根据南非国情提出了自己特有的 要求：在车体结构达到EN12663规定的静强度要求之外，机 车在与70吨无制动力货车的正常推搡冲击中（达到表1中三 个工况之一即可），车体结构无明显的永久性变形或开裂。
2南非电力机车车体耐冲击性设计 在考虑机车车体结构设计及选择钩缓系统参数时，钩缓 的钩舌、钩体、缓冲器及车体底架应保证最合理的强度设计， 应使钩舌→钩体→缓冲器（带尾框）→车体底架逐级加强。
那么在运行中遇到意外特大的牵引力或冲击力时，最经济的 也是最便于更换的钩舌最先破坏，从而保护缓冲器和车体底 架不致损坏。根据南非用户特定的要求以及上述设计思想， 南非电力机车对车体耐冲击性作了针对性设计，从设计原理、 结构设计、钩缓设计等方面作了具体安排。
2.1耐冲击性设计原理车辆碰撞冲击是一个瞬态的物理过程，它伴随着巨大能 量的快速转移，而巨大能量的快速转移可能造成车辆、人员 的伤害。因此，车辆必须具有一定的能量吸收和储备能力， 可设置车钩缓冲器，在碰撞速度较低时使车辆的主结构不发 生破坏；
另一方面，车辆各部分必须具有合适的强度和刚度， 在发生碰撞事故时限制车辆的破坏程度从而保护司乘人员 的安全。因此，南非机车两端设置了满足设计要求的加长型 E型车钩和NC-391型缓冲器；
同时，车体结构设计充分考虑 了用户及相关标准（EN12663和AARM-1001-4等）的要求，可 以承受沿车钩中心线水平纵向4450kN静态压缩和4000kN静 态拉伸的载荷而不产生永久性变形。
2.2耐冲击车体结构设计 南非电力机车车体主要由底架、司机室、侧墙以及后墙 等部件组成，采用钢板和钢板压型件焊接而成整体结构。另 外还设计了机械间顶盖、排障器等安装承载结构。具体结构 见图1。2.2.1主要技术参数根据用户技术规范要求以及总体 技术要求，南非电力机车车体设计确定了相关的技术参数， 包括车钩中心距轨面的高度、底架上平面距轨面的高度、车 体整体结构的长度等。2.2.2主要部件材料根据用户技术规 范要求以及总体技术要求，南非电力机车车体钢结构材料主 要采用16MnDR合金钢。主要部件材料见表2。2.2.3主要部件 结构针对耐冲击性要求进行专项设计，主要需加强司机室、 牵引梁、牵引座等部件的设计。南非电力机车车体设计为单司机室，司机室采用蒙皮和骨架整体承载形式，采用6mm钢 板平板或压型焊接而成，司机室具体结构见图2。牵引梁需 承受来自车钩中心线水平纵向4450kN静态压缩和4000kN静 态拉伸的载荷，主要采用了16MnDR钢板，车钩箱采用铸钢部 件再焊接而成，牵引梁具体结构见图3。牵引座主要承载着 转向架的牵引力和制动力，是一个静载和动载都很大的部件， 因此也采用了16MnDR钢板以及16MnDR锻造牵引杆安装座焊 接而成，牵引座具体结构见图4。2.3钩缓系统南非电力机车 结构强度大，钩缓系统选择了加长型E型车钩和NC-391型缓 冲器，钩舌、钩体、缓冲器和车体底架的冲击承载能力符合 冲击逐级加强原则。NC-391型缓冲器性能参数见表3，具体 结构见图5。
3南非电力机车耐冲击性计算分析 基于南非电力机车车体结构，根据用户技术规范要求和 相关标准要求，我们进行了车体静强度计算分析和连挂碰撞 计算分析。
3.1静强度计算分析 3.1.1载荷工况车体静强度计算载荷工况主要根据用户 技术规范规定的计算载荷及载荷工况、EN12663标准要求和 AARM1001标准要求而确定，包括4450kN纵向压缩载荷工况、 4000kN纵向拉伸载荷工况等24个载荷工况。3.1.2计算模型 车体结构静强度有限元分析使用ANSYS有限元软件，车体有 限元模型如图6所示，车体的主体结构离散为三维壳单元，车钩箱、减振器安装座离散为实体单元，设备重量离散为三 维质量单元，二系弹簧悬挂系统离散为三维弹簧单元。3.1.3 计算结果及分析根据计算结果，4450kN纵向压缩载荷工况最 小安全系数1.203，计算应力261MPa，位于横向减振器座处， 车体其它区域的安全系数均大于1.0，应力云图见图7。
4000kN纵向拉伸载荷工况最小安全系数1.278，计算应力 270MPa，位于中央纵梁收窄处，车体其它区域的安全系数均 大于1.0，应力云图见图8。由此可见，南非电力机车车体结 构满足静强度设计要求。
3.2连挂碰撞计算分析 调车连挂碰撞冲击是造成列车纵向力过大的恶劣工况 之一，当车辆间冲击的剧烈程度超过车辆部件以及货物所能 承受的程度时就会损坏车辆结构和货物，从而导致车钩断裂 或钩尾框裂纹等问题。因此，根据用户提供的相关参数，对 南非电力机车冲击货车进行模拟仿真，从而获得车钩力及加 速度值。3.2.1计算工况及参数根据用户技术规范要求，共 设置了3个计算工况：1）与装配Keystone496缓冲器的货车 连挂；
2）与装配SL-76缓冲器的货车连挂；
3）与装配Mark50 缓冲器的货车连挂。3.2.2计算模型根据车辆连挂冲击工况， 建立如图9所示的车体―钩缓―车体串联物理模型，将缓冲 器串联特性拆分后分别单独考虑，中间通过钩缓质量块连接， 这样模型可以模拟具有不同阻抗特性缓冲器的车辆连挂组 合的冲击。在车辆连挂冲击计算中，将机车、货车以及车钩简化为沿着纵向的单自由度质量块，在软件中建立如图10所 示的车辆计算模型。各质量块通过缓冲器动力学模型加以连 接，从而使列车构成由多个质量块串联的非线性弹性阻尼系 统，通过构建动力学方程组进行求解，分别计算在不同的连 挂冲击速度下的车钩力、加速度等特性。3.2.3计算结果及 分析计算结果见表4。由表4计算结果可知：1）SL-76货车缓 冲器和Mark50货车缓冲器性能相近。装配有缓冲器 NC390/391的机车和装配有缓冲器SL-76的货车冲击时，在 8.5km/h时车钩力为4346kN；
装配有缓冲器NC390/391的机车 和装配有缓冲器Mark50的货车冲击时，在8.5km/h时车钩力 为4326kN。2）Keystone496货车缓冲器在低速冲击时比SL-76 和Mark50的性能要恶劣。装配有缓冲器NC390/391的机车和 装配有缓冲器Keystone496的货车冲击时，在7.0km/h时车钩 力为4063kN，在7.5km/h时车钩力为4604kN；
Keystone496货 车缓冲器使车钩力达到4450kN的速度比以上两种缓冲器更 低；
而在高速冲击时，Keystone496货车缓冲器与以上两种 缓冲器得到的车钩力及加速度值都较为相近。
3.3耐冲击性计算结论 根据以上计算结果可知，南非电力机车在冲击碰撞中， 机车加速度到达3g以前，车钩力均小于4445kN，而南非电力 机车车体静强度分析可承受4450kN的纵向冲击力而无永久 变形，因此满足耐冲击设计要求。
4南非电力机车耐冲击性试验验证4.1试验步骤 如图11所示，使用提升机和挂车，将南非电力机车提升 至一定高度，然后在释放点将机车释放，机车沿曲线运行冲 击70吨无制动力的货车，记录冲击的加速度、车钩力以及车 钩速度，同时检查车体有无永久性变形或开裂。试验中，通 过机车高度的逐步提升，冲击的加速度、车钩力以及车钩速 度也逐步提高，观察记录的结果，三个参数中任一个达到阀 值即停止试验。
4.2试验结果 南非电力机车耐冲击性试验于2015年9月28日至10月23 日在约翰内斯堡TFR的机械技术管理处进行。具体试验结果 见表5。
4.3试验结论 根据以上试验结果可知，南非电力机车在冲击速度达到 8.5km/h以前的冲击碰撞中，机车加速度均小于3g，且车钩 力均小于4445kN，检查机车各部件均无永久性变形或开裂， 因此满足耐冲击设计要求。从计算结果数据与试验结果数据 对比来看，试验数据显著小于计算结果。经过深入研究分析 并与相关专家探讨认为，产生这样差异的主要原因是计算中 车体结构采用刚体模拟，车体与转向架之间的连接采用刚性 连接等简化措施引起，如果采用柔性车体和柔性连接将大大 缓冲机车的冲击，减小了冲击加速度和车钩力。由此可知这 些简化措施使计算结果趋于保守，确保了车体结构的可靠性。5结束语 根据计算和试验结果，南非电力机车均满足耐冲击设计 要求，具备一定的耐冲击性能。南非电力机车耐冲击性设计 从速度、加速度、承载力三个方面来进行要求和验证，也就 是从冲击能量、人员安全和设备安装连接强度、车体结构强 度这三方面来要求和验证，与BSEN15227标准在速度（能量） 方面的要求对比，与AARS580在承载力（车体结构强度）的 要求对比，既有相通之处，也有不同的要求，为我们今后类 似机车车体的耐冲击设计提供了一条可靠的技术路径和一 类安全性设计方法。总体来看，南非电力机车离BSEN15227 标准和AARS580标准的耐冲击性能要求还有一定的距离。随 着技术的发展，电力机车耐冲击性能设计可以从缓冲系统吸 能、吸能装置吸能、防爬系统吸能、结构变形吸能等多方面 协同进行。
参考文献：
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