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电力机车车体耐冲击性能分析

 论文栏目:电力教育论文     更新时间:2018/1/24 16:13:08   

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:

[1]高广军,田红旗,姚松.耐冲击吸能车体[J].交通运输工程学报,2003(3):50-53.

[2]BSEN15227:2008,Railwayapplications-Crashworthinessrequirementsforrailwayvehiclebodies[S].

[3]BSEN12663-1:2010,Railwayapplications-Structuralrequire-metsofrailwayvehiclebodies.Part1:Locomotivesandpassengerrollingstock(andalternativemethodforfreightwagons)[S].

[4]AARS580:2008,Locomotivecrashworthinessrequirements[S].

作者:曾燕军 金: 单位:大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室 中车株洲电力机车有限公司

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