于辰飞 广德强
（中车大连机车车辆有限公司机车开发部 辽宁大连 116021）
摘要：以某机车车体为基础，对机车车体主承载结构部件和非主承载结构部件进行轻量化技术研究，对机车车体主承载结构的静力、模态和疲劳计算进行试验验证。结果表明，采用轻型化技术设计的车身结构符合设计要求。
关键词：机车；车体；轻量化；设计；计算
随着国民经济的迅速发展，《国家科学技术政策》和中长期铁路网计划对我国铁路运输设备现代化提出了更高的要求。根据车体结构强度及其技术应用要求，需要分别研究车体的主要承载构件和非主要承载构件。重载机车、高速客车运输已成为现代铁路运输设备发展的两大方向。应该注意高速客车的轻量化技术。车体是机车负荷传输和设备安全的重要载体，是机车轻量化技术研究的重要组成部分，因此对轻量化技术研究十分重要。车身结构轻量化设计不是为了减轻车身结构的重量，而是为了满足整个车身的结构强度及其所用的技术要求，并研究了我国车辆车身的主要驱动因素和非主要驱动因素。我们必须充分考虑到他们使用的硬件技术和维修技术经过优化的设计，实现轻量化的主要目标。
一、车体轻量化设计
1.设计理念。机车较大自重和较大轮轨间作用力，导致维护成本较高，耗电量大，制造成本高。车体的轻量化可以有效地降低机车的轴重，进而减轻机车的负荷列车运行阻力，降低牵引功率，提高运行速度，降低沿线路基振动，降低轮轨间噪声，从而提高列车运行质量。同时，随着机车速度的提高、功率的提高和现代化程度的提高，电气设备的重量也在逐渐增加，这就要求机械部件的重量大幅度降低。因此，作为机车主要的减重部件，车身的轻量化设计成为一个关键问题，越来越受到人们的重视。
2.原则。(1)车体轻量化原则是车体的强度、刚度、噪音和稳定性符合相关标准的要求；(2)尽可能在现有机车设计和车身结构下进行，以免对现有工艺、模具等造成过多的不便；(3)将结构设计与科学、学术分析相结合；(4)同等强度设计；(5)使用新材料优化结构；(6)简化流程；(7)某些零件和结构值得推广。
二、主承载结构轻量化技术研究
车体主承载结构的重量约占机车车体总重量的4/5，是起到承载结构材料作用的关键。利用仿真软件计算优化整车结构的静力、模态和疲劳强度，提高整车承载结构材料的使用效率，使整车整体结构的疲劳寿命与整车的使用寿命相匹配。
1.结构优化。(1)关于载荷递量规定。设计合理的力流传递路径，以使承载结构保持纵向力方向和力流动方向之间的一致性，从而形成垂直承载的封闭力圈。一方面，需要使用双中央纵梁框架结构来增加力流传递路径。在内部，必须定义横向筋板增强强度和刚性，力流传递确保完整性。另一方面，骨架、左右侧壁和后壁组成的底架结构提供的力流传输路径，目的是实现整体承载式车体的力流传递，提高整个车辆的承载能力。只有这样才能通过结构和部件的组合来减轻车体的重量。(2)多功能结构设计。我们需要把单一的功能结构合并为多功能的结构，这样才可以减轻车体的重量，如果我们采用车内设备的台架，与底架进行一起焊接的结构，就需要在他们所焊接的设备上来进行斜撑，以便下部台架不仅可以传递载荷，而且可以支撑设备，避免出现车身问题是设备的重量。此外，将下部支架上的变压器数量与牵引梁结构相结合，可以减少变压器数量和牵引座焊接，保证机车车身强度，降低机车车身质量。(3)使用高强钢。车体的主承载结构是低重量合金的高强度结构，高强度材料的弹性极限是普通碳钢1.33次。高强度钢可以降低板厚和车身重量，但可能导致刚度减弱，这种结构应该优化。例如，只需增加边梁高度就可以提高刚度。总之，要确保整辆车的强度和刚性符合我们的需要范围。
2.验证轻量化主承载结构。机车从生产到报废的整个过程中，机车各部分将承受不同程度和方向的载荷。因此，为了确保车体的高强度和刚性，需要计算车体结构以完成测试验证。（1）模拟计算。模拟计算主要包括计算模型、静态力分析、疲劳强度分析和模态计算分析。
根据上述内容计算模型和荷载工况计算结果分析，我们可以进行主要了解，以确保合理理解仿真模型的计算。确定总体测试结果的完整性和科学性。(2)静态强度试验验证。一般试验条件应根据有关技术标准和条件确定，并以试验结果的典型例子加以说明。只有在车辆整体重量较轻的情况下，才能进行载荷试验。在整体试验条件下，车辆车身所有部分的最大应力必须在允许的地面应力范围内，以满足设计要求。
三、非主承载结构轻量化技术研究
对于车体的非主承载结构，可以使用简化结构或轻量化材料来满足轻量化要求。
1.铝合金顶盖。铝合金材料具有低密度和高强度特性(铝合金密度比:1:9.64和Q345:1:22.75)。比钢制车辆轻30%至50%。由于铝合金易于挤压，因此可以挤压不同的截面，从而更合理地分配零件厚度，它能有效地降低车体质量，最大限度地减轻车体结构的重量，目前机车车体使用的铝合金材料主要有5A06、6005A和5083。车体顶盖采用大顶盖结构，由铝合金型材和铝板焊接的三个移动盖板组成，如图1所示。
图1顶盖
2.玻璃钢和铝合金复合材料。玻璃纤维和铝合金复合材料嵌在玻璃纤维复合板中。铝合金框架的顶部梁为C(或L)梁，底部梁和柱为L梁。它焊接在一个整体框架内，确保轻量化裙板，同时保证强度和刚性。为日常维修设备打开交通区检修门，使用封闭检修门。
机车车体整体轻量化技术研究分析。我国目前铁路沿线的客运较多。对于上述轻工技术的研究，车体总重量达到了相应的标准，通过我们的计算和实验验证，其轻量化技术得以满足我们的设计要求。今后，面对整个机车车身轻量化技术，有必要广泛应用于促进我国经济发展和机车快速发展。
参考文献：
[1]雷成，王少聪，郭柏龄，马卫华，董黎生.2B_0机车车体低频横向晃动现象研究[J].铁道学报，2019，41(11)：42-49.
[2]金希红，曾燕军，周坤，王开云，吕凯凯，周义昌.重载机车与102车钩系统的相互作用关系[J].科学通报，2019，64(25)：2617-2624.
[3]黄学君.基于机车车体轻量化技术研究[J].机械工程师，2019(09)：133-135.
[4]李彬，舒广宇，孙涛.机车车体转运装置设计结构改进[J].机车车辆工艺，2019(04)：31-33.
[5]曹媛，闵阳春，金希红.机车车体轻量化技术研究[J].电力机车与城轨车辆，2019，42(04)：32-36.
[6]韩鹏飞，陈吉超.HXD3D型机车车体轻量化设计[J].铁道机车与动车，2015（6）：24-25.
[7]闵阳春，金希红，袁文辉.HXD1C型大功率交流传动机车车体[J].电力机车与城轨车辆，2011（5）：26-28.
[8]TJ/JW 102—2017，交流传动机车司机室防撞性暂行技术规范[S].3019