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和諧電力機(jī)車(簡稱HXD2機(jī)車)主要用于中國大秦線牽引2萬t重載組合列車。機(jī)車可單機(jī)牽引1萬t，雙機(jī)遠(yuǎn)程重聯(lián)牽引2萬t重載列車。目前，該機(jī)車已經(jīng)在大秦線成功運(yùn)行。由于重載長大列車的縱向沖擊很大，所以機(jī)車車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大，強(qiáng)度要求高。HXD2機(jī)車車體的強(qiáng)度有限元分析和型式試驗與國內(nèi)既有機(jī)車的相應(yīng)工作相比，有許多不同之處，實際上也從一個側(cè)而反映了HXD2機(jī)車車體設(shè)計的特點(diǎn)和優(yōu)勢。1)車體兩端能承受的縱向載荷是國內(nèi)所有機(jī)車中最大的，即3600 kN的壓力和2500 kN的拉力，車體不會產(chǎn)生永久性變形；2)強(qiáng)度計算結(jié)果的評價采用了以分項安全系數(shù)的細(xì)節(jié)可靠性設(shè)計方法，即對不同部位采用不同的安全系數(shù)進(jìn)行評價；3)在關(guān)鍵部位，利用材料的GOODMAN圖進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評價；4)在靜強(qiáng)度計算和試驗時，對車體底架與司機(jī)室連接處、前窗上部、上弦梁位置等處分別按照UIC標(biāo)準(zhǔn)加載進(jìn)行強(qiáng)度考核；5)基于車體強(qiáng)度的有限元計算，對車上所有安裝設(shè)備的連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計算。下而介紹HXD2機(jī)車車體的強(qiáng)度計算和型式試驗情況。
HXD2機(jī)車綜合采用了UIC.EN.ERRI.TB有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及評判準(zhǔn)則，進(jìn)行有限元強(qiáng)度計算和型式試驗。強(qiáng)度計算利用ANSYS軟件在線彈性、小變形范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
由于車體結(jié)構(gòu)不完全對稱，所以一般采用整車模型，部分工況采用半車對稱模型計算。整車模型單元總數(shù)240432個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)238377個，單元尺寸1090 mm殼單元考慮了板的平均厚度，排障器、可拆卸橫梁、連接橫梁等用螺栓連接的部件采用節(jié)點(diǎn)耦合方式。
側(cè)墻蒙皮材料采用S275J2G4，275 MPa，車體其它承載結(jié)構(gòu)材料采用S355J2G4，355 MPa。對于所有鋼材型號，彈性模量E=210000 MPa，泊松比0.3。
對于需要校核疲勞強(qiáng)度的載荷工況，焊接區(qū)取安全系數(shù)為1.65，母材區(qū)取安全系數(shù)為1.5，繪制相應(yīng)的Goodman疲勞極限線圖。對于抬車工況取安全系數(shù)為1.1，壓縮工況、拉伸工況、司機(jī)室保護(hù)工況和極限垂向載荷工況以及牽引桿座拉壓工況，取安全系數(shù)為1。根據(jù)HXD2型機(jī)車的合同規(guī)定的工況要求，對車體進(jìn)行了總共12種靜態(tài)載荷工況的計算分析。
根據(jù)載荷工況及力學(xué)模型，得到靜載工況的計算結(jié)果如下：
1)壓縮工況。最大應(yīng)力為324(許用應(yīng)力為355 MPa)，位于工端底架枕梁前端與邊梁連接處。2)拉伸工況。最大應(yīng)力為229 MPa(許用應(yīng)力為355MPa)，位于工端底架枕梁后端與邊梁連接處。3)司機(jī)室保護(hù)工況I。最大應(yīng)力為192 MPa(許用應(yīng)力為355 MPa)，位于司機(jī)室前窗框外下角處。4)司機(jī)室保護(hù)工況II。最大應(yīng)力為161 MPa(許用應(yīng)力為355MPa)，位于司機(jī)室前端與底架連接處。5)司機(jī)室保護(hù)工況III。最大應(yīng)力為204 MPa(許用應(yīng)力為355 MPa)，位于司機(jī)室前窗框上部中間位置。6)排障工況。最大應(yīng)力為182 MPa(許用應(yīng)力為355 MPa)，位于兩側(cè)斜筋板上。7)極限垂向載荷工況。最大應(yīng)力為135 MPa(許用應(yīng)力為355 MPa)，位于側(cè)墻中部過濾器開孔處立柱與外板連接處。8)抬車工況I。最大應(yīng)力為294 MPa(許用應(yīng)力為355/1.1=323 MPa)，位于整體起吊孔與底架邊梁的加強(qiáng)筋處。9)抬車工況II。最大應(yīng)力為271 MPa(許用應(yīng)力為355/1.1=323 MPa)，位于I端內(nèi)架車墊板上方側(cè)墻立柱與底架連接處。10)抬車工況III。最大應(yīng)力為271 MPa(許用應(yīng)力為355/1.1=323MPa)，位于II端側(cè)墻過濾器開口下角處。11)復(fù)軌工況I。最大應(yīng)力為271 MPa(許用應(yīng)力為355/1.1=323MPa)，位于工端救援銷孔上方。12)復(fù)軌工況II。最大應(yīng)力為271 MPa(許用應(yīng)力為355/1.1=323 MPa)，位于II端救援銷孔上方。13)牽引拉桿座拉壓載荷工況。施加在車體的牽引拉桿座上的疲勞載荷為53 kN，對應(yīng)于一個轉(zhuǎn)向架的縱向加速度g。最大應(yīng)力為230 MPa(許用應(yīng)力為355 MPa)，位于低位牽引橫梁處的底架邊梁中加強(qiáng)筋與底架邊梁上板連接處。
在所有計算工況中，最大應(yīng)力值發(fā)生在壓縮工況，小于材料許用應(yīng)力值。所有靜態(tài)工況計算中，按第四強(qiáng)度理論計算所得的最大應(yīng)力值均小于規(guī)定的相應(yīng)工況下的材料許用應(yīng)力值，說明車體的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。
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