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[摘 要]主要介绍HXN3B（4400马力）交流传动调车内燃机车底架的结构特点，并对该车底架的结构强度等进行了简要的有限元分析和总结。
[关键词]内燃机车 底架 有限元分析 强度
中图分类号：HXN3B 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）25-0341-02
引言
HXN3B机车是六轴交流传动调车机车，适用于中国铁路路网性及区域性编组站的调车和小运转作业。根据承载情况进行强度分析，通过分析结果使底架结构采用相应的结构和板厚，使整个车体底架钢结构的应力分布尽可能均匀，以满足铁道部的强度技术规范和新型机车各系统的要求。
1.车体底架结构概述
1.1 底架结构概述
HXN3B机车车体为单司机室外走廊底架承载结构，车体底架为机车的主要承载结构，在达到其刚度及减振性要求的同时，还要满足所有设备安装、排水系统，风道布置等等其它要求。底架主要由端部装配、中梁装配、旁承梁装配、柴油机座梁及油箱装配、边梁装配、底架盖板装配及底架附件几大部分组成，其中中梁装配为主要承载结构，同时中梁的鱼腹部分与燃油箱相连，以增加机车的载油量（见图1.1）。
1.2 主要技术参数
车体宽度： 3200mm
车体底架长度 20980mm
车辆长度： 22250mm
车钩中心线距轨面高度： 880±10mm
前后旁承座中心距离： 12470mm
排障器距轨面高度： 140+10mm
1.3 底架结构材料
在车体底架选材方面，设计中不仅考虑钢材的抗拉强度及屈服强度，还需对钢材的其余性能作综合考虑。选择具有低温性能好的Q345E国产钢材，使车体能满足-40℃环境条件下的运行要求。
2.车体底架的有限元模型和载荷工况
2.1 底架有限元模型的建立
在分析该底架的结构特点和材料的力学性能的基础上，采用有限元软件ANSYS建立了车体有限元模型。由SOLID45（四面体单元）、SHELL63（壳单元）、COMBIN14（弹簧单元）、MASS21（质量单元）、BEAM188（梁单元）模拟组成。底架的有限元模型（见图1.1）。
2.2 载荷工况
载荷工况说明（见表2.2）
3.材料特性及验收标准
3.1 材料的机械特性
车体底架所用材料属性（见表3.1）
3.2 验收标准
3.2.1 静强度分析评定
静强度分析的验收标准采用EN12663-1：2010和UIC566。
根据EN12663-1：2010和UIC566中对安全系数的规定，选择两者中的较大值作为评定用安全系数。具体规定如表3.2所示
4.底架静强度计算
4.1 拉伸工况
此时，机车车体在承受垂直载荷（所有设备的重量以及车体的自重）的同时，在牵引梁两端的板座位置施加大小为2，500kN的反向作用的拉伸力（见图4.1）。
4.2 压缩工况
此时，机车车体在承受垂直载荷（所有设备的重量以及车体的自重）的同时，在牵引梁两端的板座位置施加大小为3，000kN的相向作用的压缩力（见图4.2）。
4.3 1.3g垂直静载工况
垂直载荷工况主要包含机车各设备的重量以及车体的自重。该工况中考虑了Kd=1.3的动载系数。机车各设备的重量，均以力的形式，按照实际支座在车体上的位置和大小，施加到相应的车体部位。
4.4 一位端单端起吊工况
此时，机车车体在承受垂直载荷（所有设备的重量以及车体的自重）的同时，计算中不考虑动载系数，即kd=1。但考虑了单端起吊时，有约24吨重的掉道转向架悬挂在中梁附近边梁下面的吊座上。
4.5 二位端单端起吊工况
此时，机车车体在承受垂直载荷（所有设备的重量以及车体的自重）的同时，计算中不考虑动载系数，即kd=1。但考虑了单端起吊时，有约24吨重的掉道转向架悬挂在中梁附近边梁下面的吊座上。
4.6 整体起吊工况
与单端起吊工况不同的是，此时，车体在承受垂直载荷（所有设备的重量和车体自重）的同时，还需要承受两个转向架的重量，作用位置与单端起吊工况相同。
4.7 40kN·m扭转工况
在车体保持垂向1.0倍车体载荷的状态下，通过使试验车体任意对角位置的两个旁承座上升或下降，达到使试验车体发生扭转的目的，可以采用将车体任意对角位置的旁承座上升12mm来实现。
4.8 小结
为了能够能清楚地了解各工况的计算结果，对以上7个静强度工况做以下归纳（见表4.8）。
5.结论
由计算结果可知，车体结构在垂直载荷工况、压缩工况、拉伸工况、牵引工况、单端起吊（救援）工况、整体起吊工况和40kN·m扭转工况7种工况的最大应力均小于许用应力，均满足强度设计要求。
并且通过对车体静强度试验所获得的数据进行分析，受检车体纵向拉伸载荷试验、纵向压缩载荷试验、救援强度试验中各应力测点的应力值均小于其位置的材料屈服极限，检验项目垂向载荷试验、扭转载荷试验工况中，各计算应力值均小于其位置的0.6倍材料屈服极限。
试验结果与计算结果基本吻合，车体钢结构的静强度满足EN12663-1：2010和UIC566的要求，满足设计的要求。
作者简介
刘宁（1987-），男，助理工程师，现从事机车机械设计行业。
参考文献
[1] 王淑荣.HX_D3B型机车车体的设计[J].内燃机车，2010（11）.
[2] TB/T2541-2010机车车体静强度试验规范[S].北京：中国铁道出版社，2010.
[3] 李建龙，李书营，邵晖.基于有限元的机车车体强度分析[J].郑州铁路职业技术学院学报，2011（12）.
[关键词]内燃机车 底架 有限元分析 强度
中图分类号：HXN3B 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）25-0341-02
引言
HXN3B机车是六轴交流传动调车机车，适用于中国铁路路网性及区域性编组站的调车和小运转作业。根据承载情况进行强度分析，通过分析结果使底架结构采用相应的结构和板厚，使整个车体底架钢结构的应力分布尽可能均匀，以满足铁道部的强度技术规范和新型机车各系统的要求。
1.车体底架结构概述
1.1 底架结构概述
HXN3B机车车体为单司机室外走廊底架承载结构，车体底架为机车的主要承载结构，在达到其刚度及减振性要求的同时，还要满足所有设备安装、排水系统，风道布置等等其它要求。底架主要由端部装配、中梁装配、旁承梁装配、柴油机座梁及油箱装配、边梁装配、底架盖板装配及底架附件几大部分组成，其中中梁装配为主要承载结构，同时中梁的鱼腹部分与燃油箱相连，以增加机车的载油量（见图1.1）。
1.2 主要技术参数
车体宽度： 3200mm
车体底架长度 20980mm
车辆长度： 22250mm
车钩中心线距轨面高度： 880±10mm
前后旁承座中心距离： 12470mm
排障器距轨面高度： 140+10mm
1.3 底架结构材料
在车体底架选材方面，设计中不仅考虑钢材的抗拉强度及屈服强度，还需对钢材的其余性能作综合考虑。选择具有低温性能好的Q345E国产钢材，使车体能满足-40℃环境条件下的运行要求。
2.车体底架的有限元模型和载荷工况
2.1 底架有限元模型的建立
在分析该底架的结构特点和材料的力学性能的基础上，采用有限元软件ANSYS建立了车体有限元模型。由SOLID45（四面体单元）、SHELL63（壳单元）、COMBIN14（弹簧单元）、MASS21（质量单元）、BEAM188（梁单元）模拟组成。底架的有限元模型（见图1.1）。
2.2 载荷工况
载荷工况说明（见表2.2）
3.材料特性及验收标准
3.1 材料的机械特性
车体底架所用材料属性（见表3.1）
3.2 验收标准
3.2.1 静强度分析评定
静强度分析的验收标准采用EN12663-1：2010和UIC566。
根据EN12663-1：2010和UIC566中对安全系数的规定，选择两者中的较大值作为评定用安全系数。具体规定如表3.2所示
4.底架静强度计算
4.1 拉伸工况
此时，机车车体在承受垂直载荷（所有设备的重量以及车体的自重）的同时，在牵引梁两端的板座位置施加大小为2，500kN的反向作用的拉伸力（见图4.1）。
4.2 压缩工况
此时，机车车体在承受垂直载荷（所有设备的重量以及车体的自重）的同时，在牵引梁两端的板座位置施加大小为3，000kN的相向作用的压缩力（见图4.2）。
4.3 1.3g垂直静载工况
垂直载荷工况主要包含机车各设备的重量以及车体的自重。该工况中考虑了Kd=1.3的动载系数。机车各设备的重量，均以力的形式，按照实际支座在车体上的位置和大小，施加到相应的车体部位。
4.4 一位端单端起吊工况
此时，机车车体在承受垂直载荷（所有设备的重量以及车体的自重）的同时，计算中不考虑动载系数，即kd=1。但考虑了单端起吊时，有约24吨重的掉道转向架悬挂在中梁附近边梁下面的吊座上。
4.5 二位端单端起吊工况
此时，机车车体在承受垂直载荷（所有设备的重量以及车体的自重）的同时，计算中不考虑动载系数，即kd=1。但考虑了单端起吊时，有约24吨重的掉道转向架悬挂在中梁附近边梁下面的吊座上。
4.6 整体起吊工况
与单端起吊工况不同的是，此时，车体在承受垂直载荷（所有设备的重量和车体自重）的同时，还需要承受两个转向架的重量，作用位置与单端起吊工况相同。
4.7 40kN·m扭转工况
在车体保持垂向1.0倍车体载荷的状态下，通过使试验车体任意对角位置的两个旁承座上升或下降，达到使试验车体发生扭转的目的，可以采用将车体任意对角位置的旁承座上升12mm来实现。
4.8 小结
为了能够能清楚地了解各工况的计算结果，对以上7个静强度工况做以下归纳（见表4.8）。
5.结论
由计算结果可知，车体结构在垂直载荷工况、压缩工况、拉伸工况、牵引工况、单端起吊（救援）工况、整体起吊工况和40kN·m扭转工况7种工况的最大应力均小于许用应力，均满足强度设计要求。
并且通过对车体静强度试验所获得的数据进行分析，受检车体纵向拉伸载荷试验、纵向压缩载荷试验、救援强度试验中各应力测点的应力值均小于其位置的材料屈服极限，检验项目垂向载荷试验、扭转载荷试验工况中，各计算应力值均小于其位置的0.6倍材料屈服极限。
试验结果与计算结果基本吻合，车体钢结构的静强度满足EN12663-1：2010和UIC566的要求，满足设计的要求。
作者简介
刘宁（1987-），男，助理工程师，现从事机车机械设计行业。
参考文献
[1] 王淑荣.HX_D3B型机车车体的设计[J].内燃机车，2010（11）.
[2] TB/T2541-2010机车车体静强度试验规范[S].北京：中国铁道出版社，2010.
[3] 李建龙，李书营，邵晖.基于有限元的机车车体强度分析[J].郑州铁路职业技术学院学报，2011（12）.