DF8CJ型交流传动货运机车的承载车体

　　DF_8CJ型机车是我国首台装车功率达4410 kW的大功率货运内燃机车(见图1)，机车总质量为(138+12)t，轴重(23+2)t，二系弹簧上质量为(99．7+12)t，其中12 t为压铁。且采用轴控式交流传动逆变、交流辅机电传动、顶置式干式冷却等新技术。根据总体方案布置，DF8c，型机车外形尺寸为22 500 mm×3 100 mm×4 700 mm；旁承梁支撑跨度为12 800 mm。与DF_8B型机车相比，总长增加500 mm，支撑跨度增加500 mm，由于机车总长度的增加、机车功率的增加以及上述新技术的采用导致机车总质量的增加。为保证机车总质量不超过规定的(138+12)t，要求车体在DF_8B型机车的基础上减重500 kg。减重是困难的，然而通过精心设计制造，4 410 kW的R16V280ZJ型柴油机终于装车，并以(23+2)t的轴重成为我国最大功率的交流传动货运内燃机车。该车体的研制成功标志着我国的内燃机车车体设计水平达到了新的高度，进入了世界的先进领域。

 

 

　　根据总体设计的布置，DF_8CJ型机车从前往后依次为前司机室、电器室、动力室、冷却室、辅助室、后司机室。电器室上部为电阻制动柜室，各室之间设有间壁和间壁门。下部是车架装配，车架中部为燃油箱。车架两侧悬挂12 t质量的压铁。由于机车总长增加，为保证其较好的动力学性能，保持车钩到转向架中间轴的距离不变，转向架全轴距相应加大，致使车体旁承支撑跨度增加，而支撑跨度的增加必然导致中部最大弯矩的增加。上部增加质量约为8 t，由于跨度的增加，上部所加质量大都位于跨度之内，其中R16V280ZJ型柴油机主发电机组因容量的增加就使车体中部集中载荷增加4．4 t。按动荷系数1．3计算，中部加重为5．72 t。相当于在DF_8B型机车的基础上增加9．4％。另外，由于支撑跨度的增加导致中部最大挠度按3次方关系增加，车体中部的最大挠度约为DF_8D型机车的1．22倍。而能够给予车体的质量是要求在DF_8B型机车的基础上再减重500 kg。这在以往的设计中尚未遇到过，当时认为这几乎是不可能的事情。

　　DF_8CJ型机车车体的外形结构尺寸是根据总体的需要确定的，根据总体布置和车体外形结构的特点，本车体采用桁架式承载结构；引入燃油箱，燃油箱和车架焊接在一起，燃油箱参与车体承载(见图2)。

 

 

　　车体支撑跨度的增加以及中部集中载荷的增加，必然导致斜撑、立柱以及车体中部的载荷上升。DF_8CJ型机车由于采用了顶置式冷却器和电阻制动整体吊装结构，原冷却室和电器室的车顶侧壁部分必须割除，冷却器和电阻制动柜安装架将直接安放在侧壁的上弦梁上。为此，车体侧壁在旁承梁弯矩最大处既损失了结构空间又损失了截面面积，而作为坐落该处的顶置式散热器要求进一步提高其所赖以支撑的侧壁的刚度，以提高冷却器安装的可靠性。冷却室和电器室侧壁的刚度必须提高，可以采用的方法是增加上弦梁、车架侧梁、立柱和斜撑的截面面积，以保证该梁在压缩或拉伸工况下都能保持其应有的强度和刚度。

　　车体加强的主要措施如下：

　　(1)车架侧梁增加截面面积，以达到加强目的。

　　(2)上弦梁增加截面面积，以达到加强目的。

　　(3)侧壁部分立柱、斜撑中压型梁加强，实心斜撑加强，纵向原有空格均设斜撑，以提高侧壁在该处的稳定性。

　　(4)采用燃油箱参与承载。提高车体中部柴油机底座的刚度和整个机车车体中部的刚度。

在DF_8B型机车车体静强度实验中，中部集中载荷61 t；支承跨度12 300 mm。DF_8cJ型机车与之相比，由于采用了燃油箱承载结构，中部集中载荷净增5．72 t，为DF_8B型机车的109％，支承跨度与DF_8B型机车之比为12 800／12 300=1.04。在不考虑整体惯性矩改变的情况下，挠度比值应为

　　

　　式中：为DF_8CJ四型机车车体的最大挠度值；L为DF_8CJ型机车车体的支撑跨度；P为DF_8CJ型机车车体的中部集中载荷；E为车体钢结构的材料弹性模量；J为车体的垂向抗弯截面惯性矩。

　　为DF_8B型机车中部最大挠度静强度试验值，7．23mm。交流传动机车中部最大挠度。

　　考虑到燃油箱参与承载和侧壁部分梁杆件加强后车体刚度有所增加，中部挠度将会减少2～3mm。但另一方面由于旁承支撑部位正是电器室和冷却室车顶侧壁被取消之处，刚度有所损失，且“作为整个桁架结构而言，每个框格均比DF_8B型机车大，因此侧梁、侧壁虽有所加强，其整体刚度将可能相当于DF_8B型机车的刚度。可以满足运用要求。

　　通过估算得出交流传动机车挠度范围应在5．7～6．7 mm之间。

　　注：挠度计算公式为简支梁挠度计算公式 。对于承载式车体，仅为经验公式，作为在同种材料和同种结构下仅仅改变跨度和载荷，这种估算是简便、快捷而有效的。

　　通常，在车体方案确定过程中，采用简易模型进行有限元计算。为了核实DF_8CJ型机车车体结构方案设计是否有足够的强度和刚度，将车体做一简化模型进行计算，与DF_8B型机车的同样简化模型进行比较，并对计算结果按照DF_8B型机车车体静强度试验报告进行修正。

　　由于侧壁承载式车体的强度和刚度主要取决于侧壁和车架侧梁的强度和刚度，所以整个模型只须简化成侧壁和车架侧梁的承载结构，车架中梁、车顶侧壁及地板搁板梁均可忽略不计。用梁单元模拟侧梁、上弦梁、立柱和斜撑；用壳单元模拟侧壁蒙皮。

　　材料特性：弹性模量E=206 800 MPa，泊松比=0．29。

　　将前旁承的中点和后旁承的中点作为简支梁的支撑点，做简支约束；对整个侧壁约束其横向位移，即只允许面内位移。

　　载荷仅取机车中部的集中载荷与机车中部自重之和，并乘以动荷系数1．3后加在侧梁的中部处。其余载荷忽略不计，并认为该载荷所产生的挠度即为车体的全挠度(见图3)。

 

 

　　根据计算与静强度试验的结果比较(见表1)可知，变形趋势合理，数据结果接近，认为该计算结果可信。从计算结果看，DF_8CJ型机车的刚度比DF_8B型机车好。以上计算采用的是I-DEAS 6．0软件。