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高速内燃机车司机室钢结构设计

发表时间：2020/5/28 来源：《建筑科技信息》2020年1期作者：李俊文景凤斌韩文杰

[导读] 本文根据企业设计及规范及要求，应用三维设计软件CREO，对高速内燃机车的司机室钢结构部分进行设计。

        摘要：近几年以来，随着我国的科学技术以及经济水平都在不断的发展，我国政府以及相关的部门对于高速内燃机车司机室钢结构设计的进一步研究给予了高度的重视。在目前发展的阶段中，我国高速内燃机车各个零部件所具备的具体性能也在不断的提高，并且司机室钢结构设计需要不断的提高所具有的可靠性，同时还要做到结构的轻量化。本文根据企业设计及规范及要求，应用三维设计软件CREO，对高速内燃机车的司机室钢结构部分进行设计。在设计时，考虑铁路限界、焊接强度以及司机室内部设备布置等要素，并应用有限元分析软件对结构强度进行计算，最终设计出满足技术规范和相关标准的司机室钢结构。
        关键字：三维设计高速内燃机车司机室钢结构
        正文：高速内燃机车由两节机车重联组成，通过半永久式连挂车钩以及遮阳风挡将两节机车连接起来，整车的车体部分由底架、侧墙、司机室、顶盖等大部件组成。其中，燃油箱与底架焊接为一个整体进行承载，司机室采用减振器与弹簧构成减振式司机室。整车机械间分别为通风室、动力室、电气室、冷却室和制动室，各机械间的隔墙分别与侧墙以及车体底架进行焊接并安装方便拆卸的铝合金顶盖。司机室钢结构作为整个司机室的承载部件，其可靠性直接关系到整车人机安全。因此，在设计过程中，要充分考虑限界、强度、内部设备布置等要素，以满足可靠性要求。
        一、司机室钢结构主要部件设计介绍
        1.1 司机室钢结构总体介绍
        司机室钢结构不仅要具备承载以及防碰撞性能，而且要有便于瞭望、操作空间宽敞、外形简洁美观等特点。司机室外形设计为小流线型，为减小空气阻力，司机室结构进行了优化设计。为了减小司机室振动和噪音，在司机室下方布置两个橡胶轴承减振器，并在两角位置处安装配备阻尼器的减震弹簧，前端布置了两个大刚度、可自由转动的横向连杆。司机室布置有窗户、操纵台、灭火器、司机室座椅、添乘座椅、取暖器、空调、烟灰缸、微波炉、暖风机、冰箱等设备。
        1.2 司机室前墙
        司机室前墙作为整个司机室的强化区域，对司机室的安全性至关重要。司机室前墙由要梁、立柱、蒙皮以及玻璃安装框、设备安装座等结构组成。在横梁上半部，由立柱、横梁及蒙皮构成封闭框架以加强结构强度。横梁下半部布置角立柱，横梁中间布置三根箱型粱并这焊有一些小角钢构成框架以加强结构强度。在司机室内部加安装筋板，在外部焊接蒙皮，并布置空调百叶窗安装梁。司机室前墙整体框架采用能够均匀传递力的闭环结构以增加强度。
        1.3 司机室后墙
        设计司机室后墙时不仅要考虑各种设备的布置以及线路、管路的位置，同时为了增加承载能力，后墙结构采用立柱、横梁的组焊封闭结构。由于司机室后墙需要实现减少噪音的功能，在司机室后墙加装隔音材料，并布置厚度很大槽形梁。
        1.4 司机室顶盖
        司机室顶盖主要由钢结构框架和蒙皮组成，并布置空调风道、设备安装座等。为防止顶盖漏雨，在司机室顶部设计倾角结构并设置排水口。在进行焊接时，蒙皮均在横梁粱的位置进行简洁，焊缝的数量尽可能少，焊接方式为满焊。

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        1.5 司机室侧墙
        司机室侧墙由横梁、立柱、蒙皮组焊而成，在其中间位置处布置槽形梁增加强结构强度。由于应力集中容易发生在侧窗安装框拐角处，在拐角处加装角钢增强强度。为了防止侧窗进水，在侧墙设有开有圆孔的排水槽。
        二、轻量化设计
        司机室钢结构的设计不仅要考虑司机室的结构强度，还要考虑在满足结构强度要求下尽可能减轻司机室的重量。司机室钢结构的轻量化设计离不开计算分析的支持，按照机车设计任务书、机车技术条件等技术文档中的具体要求，对司机室模型的强度、疲劳、模态、防撞等多个工况进行计算分析。根据有限元计算分析结果，首先针对司机室钢结构应力集中的部位进行结构优化，如侧拉窗窗框，与门连接处的拐角等。然后对司机室钢结构进行轻量化优化，对非应力集中部位结构采取如减少钢板厚度、在横梁和设计减重孔等手段，在不破坏整体结构强度的前提下降低司机室钢结构的重量。
        在轻量化设计完成之后，对轻量化设计之后的司机室钢结构进行静强度分析、模态分析、疲劳强度分析。在计算模型的建立中，充分考虑了车体各部分连接的真实情况以及BS EN 12663-1:2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies, Part 1: Locomotives and passenger rolling stock (and alternative method for freight wagons)。车体底架结构的薄板采用壳单元进行离散，厚板和铸件采用体单元进行离散。
        对于静强度计算工况，计算得出的车体变形与此类结构通常所容许的相符，所得到的母材应力在考虑安全系数的情况下均小于按标准确定的许用应力，在常见工况下的车体挠度值在合理的范围内，由此说明车体结构静强度符合要求。
        对于模态分析结果，计算得出整备状态下车体的频率能有效避开转向架的浮沉和点头频率。
        对于疲劳强度分析结果，车体钢结构焊缝疲劳寿命满足相关标准和规范中大于1E7次的要求，车体结构最薄弱的焊缝部位均能满足30年的最小使用寿命要求。
        结束语：
        司机室钢结构采用高强度、轻量化设计，在产品制造过程中均有专门的工装保证，司机室钢结构制造过程中产生的变形得到了很好的控制。同时由于采用了三维设计，司机室钢结构各部件之间的接口进行了改进处理，因此在实际制造过程中各部件之间的接口错误减少显著，降低了成本。
        参考文献
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