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机车车体概述

已有 7011 次阅读 2019-8-15 10:43 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 机车车体, 车架承载式车体, 整体承载式车体, 罩式车体, 棚式车体

机车车体概述

伍赛特

 

1 总体概述

1.1 车体的组成、作用及现代机车对它的要求

    机车车体是指内燃、电力机车转向架之上的车厢部分(也称上部结构)。它由司机室、车顶、侧壁、间壁、车架和排障器等部分组成。

车体是机车的骨架。它既是各种设备,如柴油机、传动装置、大型电气设备和各种辅助机组的安装基础,又要传递各个方向的力:

1)将所承受的垂直载荷即各种设备的重力通过旁承传给转向架;

2)机车运行时通过车钩、缓冲装置传递机车与车辆之间的纵向力,例如牵引力、制动力和冲击力;

3)承受转向架传来的横向力。同时也起到保护机械、电气设备和乘务人员不受雨、雪、风、沙的侵袭和隔声、隔热的作用。

    因此,机车的车体是整个机车的主体,受力十分复杂。应具有足够的强度和刚度,以免影响柴油机曲轴的丁作和保证各连接件的同心度,使安装在其上面的各种设备正常工作。

    现代干线机车向高速大功率方向发展,机车重量也相应增大。而机车轴重却受线路条件的限制。因此,机车重量成为限制增大机车功率的主要因素。如何设法减轻机车各部件,特别是诸如车体等大部件的重量,是实现单节大功率机车重要措施之一。

因此,设计制造现代机车的车体时,应满足以下要求:

1)尽可能满足乘务人员的正常丁作环境,如机车操纵,瞭望方便等;

2)保证有足够的强度、刚度和运行的安全可靠;

3)便于安装动力装置、辅助装置和缓冲装置;

4)在制造及修理时,结构上有较好的工艺性;

5)外形美观、流线化,具有良好的空气动力学性能,以减小空气阻力,满足高速的要求;

6)车体外形尺寸应符合国家规定的机车车辆限界;

7)尽可能减轻重量。

 

1.2 车体的形式

    车体按外形,可分为罩式(外走道式)车体和棚式(内走道式)车体两种。车体按承受载荷方式可分为车架承载式车体和整体承载式车体两种。

 

2 车架承载式车体

车架承载式车体车架承载式车体,所有载荷均由车架承担,车体侧壁、车顶不参与承载。对于这种车体车底架上部的测壁和顶盖不必进行特殊的设计,只要求能保证其自身工作所必需的强度和刚度即可。而车底架则要求设计得有较高的强度和刚度。

我国早期生产的机车,曾采用这种形式的车体,因为那时机车功率小,对机车减重的要求并不突出。

 

2.1车底架承载车体的形式

2.1.1 罩式车体

罩式车体(图1-1)外形矮小,走道在车罩外,车架承载。通常司机室布置在机车的一端或中部,高出并宽于车体的其他部分以便于司机暸望。当乘务员检查机器设备时,必须打开车体侧面的门。

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1-1  罩式车体

罩式车体结构简单紧凑、造价低,车体易于拆装,便于机组的安装和维修。一般多用于小功率机车,如调车机车,工矿机车,货运机车也有采用。例如我国的DFz型、DFs型机车及从美国进口的ND5型内燃机车的车体都属于这种类型。最近设计制造的和谐型HXNs型内燃机车也采用罩式车体。罩式车体只有车底架承载。

 

2.1.2 棚式车体

棚式车体(图1-2)外形高大,其内部除安装机械、电气设备外,还有可供乘务人员通行的走道,以便在运行过程中随时进行设备的检查和维修。

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1-2  棚式车体

1—头灯;2—司机室;3—司机室侧门;4—空调换气百叶窗;5—冷却室百叶窗;6—通风机百叶窗;7—动力室小顶盖;8—空气滤清器口;9—电阻制动通风百叶窗;10—司机室侧窗;11—牵引装置;12—排障器;13—司机室座椅;14—侧脚蹬;15—司机室侧扶手;16—牵引拉杆座

 

车体内部根据安装设备的不同,用间壁分成若干个室,如动力室、电气室、冷却室、变压器室等。间壁上设有通道门,既便利通行又可将各室隔开。司机室布置在一端或两端,暸望视线开阔,外形可设计成流线型。干线机车一般都采用这种类型的车体。

车体由外皮和骨架组成。骨架一般用型钢或用34 mm厚的钢板压制成的压型件。为便于机器设备的安装和维修,同时也为了车体制造的方便,车体可分成司机室、动力室、冷却室和电气室几部分分开制造。然后再相互组焊在车架上。为了吊装机器设备,通常会在车顶上设有各种窗口和顶罩。

车体骨架外面敷设2.5 mm厚的钢板作为车体的外皮,司机室内壁的胶合板固结在骨架内的木结构上。在外皮与内壁之间,填充隔声、隔热材料。

如果棚式车体的侧壁不参与承载,则该车体就是车底架承载式车体。一些老式机车就用这种车体,例如东风型内燃机车。现在棚式车体的侧壁都和车底架一起参与承载,就成为整体承载式车体。

 

2.2承载车底架

承载车架,一般为中梁承载式车架(图1-3),东风型内燃机车的车架就属于这种结构。

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1-3 DF型内燃机车车架

1—前端梁;2一架车座;3—上心盘;4—下补强板;5—侧梁;6—上旁承座;7—车钩牵引箱;8—后端梁;9—蓄电池箱;10—上补强板;11—左右侧盖板;12—横梁;13—中梁;14—立板;15—上盖板;16—底板;

 

中梁承载式车架包括中梁、侧梁、立板、横梁、牵引箱、上心盘、架车座等部分,由钢板、型钢和铸钢件焊接而成。

中梁是车架的主要受力部件,有两根45a号工字钢,上、下翼板分别用断面为340 X 20340 X 16的盖板加强。下盖板与中梁等长,上盖板只占中梁的中间部分,两个中梁用中间立板连接。侧梁是16号槽钢,中梁与侧梁用横梁连接。侧梁的载荷经横梁传递给中梁。

柴油机—发电机组先安装在机座上,然后通过弹性支点用螺栓将机座固装在车架中梁上,以保护柴油机曲轴不受中梁变形的影响。

车架下面焊有两个心盘、八个旁承座和四个架车座。牵引箱焊接在前后端梁上。

中梁承载式车架在设计时只考虑两根中梁承受全部载荷,而没有考虑车体承载的可能性,所以有车架粗大笨重、机车重心高的缺点。

HXN5型内燃机车的车体也是车架承载式。车架的两根中梁为箱形结构,而且把吊车车架中部的燃油箱与车架合为一体,也参与承载。这增加了车架的强度与刚度,又减轻了重量。

 

3 整体承载式车体

整体承载式车体,均为棚式车体。为近代干线客、货运机车普遍采用的车体。

车体由司机室、车顶、侧壁、间壁和车架组焊成的一个整体,具有足够的强度和刚度,能很好地承受各个方向的作用力。但车顶为了吊装设备方便要开出大孔,设计成可拆卸的顶盖;有的部分还要安装固定的百叶窗。车架地板不一定处于同一平面内,又开有许多冷却风道和安装设备所需的开口,使承载能力大为削弱。从受力角度看,间壁把左右侧壁和车架连成一个整体。这种形式车体的特点是侧壁和车架为主要受力部件。因此,整体承载式车体又称为侧壁承载式车体。

整体承载式车体能充分利用材料和空间,与同样重量的车架承载式车体相比,其承载能力有很大的提高。或者在承受同样的载荷下其重量就可以大大减轻,而且提高了整个车体的强度和刚度,为发展单节大功率机车提供了有利的条件。

整体承载式车体按侧壁结构的不同,又可分为桁架式侧壁承载车体和框架式侧壁承载车体两种。

 

3.1桁架式侧壁承载车体

桁架式侧壁承载车体(图1-4)由车架、左右侧壁、车顶、间壁、司机室及覆盖在这些构件外面的蒙皮组成。

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1-4  桁架式侧壁承载车体结构示意图

1—司机室;2—车顶;3—侧壁桁架;4—上弦梁;5—斜撑;6—立柱;7—牵引梁8—下弦梁;910—横梁;1112—纵粱;13—车架

 

侧壁桁架由上弦梁、下弦梁(即车架的侧梁)、上下弦梁间用立柱和斜撑焊接组成。司机室坐落在车架的端部,与侧壁、车架和车顶焊接。桁架式侧壁承载车体的特点是由于侧壁桁架的斜撑存在,侧壁具有极好的稳定性,立柱、斜撑主要承受轴向力,使其截面受力均匀,从而充分利用了车体的材质。即使在侧壁上开孔也不至损坏车体整体刚度(蒙皮不参与承载)。但侧壁开孔的大小和位置受到限制.特别是给较大部件的更换带来一定的难度。我国生产的DF10型、DF11型以及DF8B型内燃机车均为桁架式侧壁结构。

 

3.2框架式侧壁承载车体

框架式侧壁承载车体(图1-5),其侧壁框架由上、下弦梁、立柱、中间梁及覆盖在这些构件外面的蒙皮组成,共同承载。

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1-5  框架式侧壁承载车体结构示意图

1—司机室骨架;2—车顶骨架;3—上弦梁;4—中间梁;5—立柱;6—下弦梁;7—侧壁;8—车顶;9—车体间壁

框架侧壁承载车体其特点是车体侧壁开孔不受骨架限制,易于布置用于采光、通风、冷却的孔。由于框架结构更多依赖于侧壁的蒙皮,因此,过多或过大的开孔将使侧壁刚度受到一定的影响。该结构一般用于轴重不太紧张的机车上。在同样负荷下框架式结构的变形(受弯曲)比桁架要大。总之两种结构比较各有优缺点,桁架式车体更具减重优势,而在重量条件允许的情况下,从检修维护出发,应选择框架结构。因此,目前两种侧壁结构均得到广泛采用。我国生产的DF4型、DF6型内燃机车,SS1型电力机车,和谐型电力机车都采用框架式侧壁承载车体。

 

3.3 整体承载式车体的车架

整体承载式车体的车架结构有两种,即有中梁和无中梁结构。国内过去通常采用的是无中梁结构形式。最近设计生产的和谐型电力机车,车体底架为有中梁结构,中梁为主要受力件。

无论是桁架式还是框架式侧壁承载车体,其车架具有基本相同的结构。无中梁时,侧梁是主要受力件,因此要选用截面较大的构件。根据不同机车安装各设备的需要,再设置截面大小不同的横梁和长短不一的纵向辅助梁,通过横梁将左右两根侧梁连成一体。前后端则根据传递纵向力、冲击力的需要设置前后端梁、牵引梁和缓冲座。这样连成的车架,其整体刚度较差。但与侧壁组焊成一体后就能大大提高其刚度。车架各梁大都采用压型钢或各种厚度(36 mm)的钢板组焊成箱形结构。

在车架的两端下部设有下骨架及排障器。下骨架焊于车架下部,排障器用螺栓与下骨架相连。下骨架与排障器具有较强的强度和刚度,能有效地排除线路上的障碍物,保护机车走行部和防止机车发生脱轨颠覆。

随着铁路向高速发展,对车体提出了更为苛刻的减重要求。车体的结构形式由原来的框架、桁架式结构向网架式结构发展。在原结构上加密横梁,梁的疏密间隔距离约为250500 mm,同时减小和变薄各粱本身的轮廓尺寸和厚度。这样布置的结果,使侧壁形成类似飞机机身的网架结构,类似有加强筋的簿壳结构,以实现现代机车车体具有较好的刚度和强度,以及较轻的重量。HXD3型电力机车车体侧壁朝此方向作了有益的探索。为了减轻重量,对于一些非承载部件,如车顶上的活动顶盖、门、护板以及罩盖等均可采用铝合金制造,有些部件亦可采用玻璃纤维或碳纤维增强的塑料制造。

 

参考文献

[1] 鲍维千. 机车总体及转向架[M]. 北京:中国铁道出版社, 2010.10:107-112.




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