谷祥帅，贺燏

（中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

ZER2型电力工程车属于工程维护车辆范畴，用于在城市轨道环境下调车、牵引及救援用，主要采用内燃或蓄电池动力。ZER2型电力工程车供电方式为柴油机加受电弓受流，该车型目前已上海、深圳、广州等国内外城市广泛应用。

ZER2工程车车体采用双司机室外走廊的底架承载结构，车体整体为全钢焊接结构，车体强度高、质量轻、检修方便。

1 电力工程车车体主要特征和技术参数

1.1 主要特征

因ZER2型电力工程车主要应用于城市轨道交通，故电力工程车车体具有以下特征：

（1）车体结构设计满足EN 12663：2010《铁路设施．铁路车辆车身的结构要求》；车体焊接设计满足《EN 15085:2007铁路应用-铁路车辆和部件的焊接》等轨道交通领域标准的要求。

（2）因该车型应用于城市轨道交通，与铁路机车相比较，机车重量有较大限制。因此，在保证车体强度和刚度的前提下，需对车体进行轻量化设计。

（3）车体中部需安装柴油机，致使车体上部在两司机室之间无连接，车体焊接结构的横截面出现突变，车体为底架承载结构，对底架的强度及刚度要求较高。

（4）为避免共振，增强司乘人员乘车时的舒适性，车体自振频率除与转向架点头及浮沉频率分离外，还需要与柴油机的自振频率隔离。

（5）采用外走廊结构，两司机室通过外走廊相连接，便于运行中巡视，为方便设备及柴油机检修作业，侧墙上布置有可打开的侧墙门。

1.2 车体主要技术参数（表1）

2 车体结构的设计

ZER2型电力工程车车体为双司机室外走廊结构，承载方式为底架承载。

表1

2.1 车体强度及刚度设计

基于城市轨道交通运营环境，ZER2型电力工程车需具有足够的强度，故电力工程车车体纵向压缩载荷为1500kN，拉伸载荷为1000KN，其他载荷条件参照EN12663-1《铁路应用铁路车辆车体的结构要求第1部分：机车和客运车辆》。因该车需采用轻量化设计，车体重量约13．5吨，因此，需要合理分配重量及选用材料。

车体主承载结构尤其是车体底架选用Q460E，该材料符合GB/T 1591：2018《低合金高强度结构钢板》要求，其机械性能及焊接性能较好，且已在既有电力机车上得到了应用。

底架为车体最主要的承载部件，底架为框架式结构。为增强底架强度及刚度，中央布置有两行贯通式中梁，与底架边梁一起构成纵向力的主要传递路径，底架边梁使用大截面结构以增强结构的抗压及抗剪能力。在各主要设备安装座下方都设置有横梁或纵梁以提高承载能力，各设备安装座、安装梁的设计充分考虑抗各向冲击的能力。对底架各变截面处采用圆弧过渡，以使力流平滑过渡。对承受动载荷的部位重点关注其疲劳性能，避免产生应力集中。

司机室钢结构充分考虑司乘人员的安全性及人体工学，在司机室前窗上、下沿及司机室钢结构底部各布置一圈加强梁，其中，前窗下沿加强梁可承受300kN的压缩载荷而不发生塑性变形。在前窗两侧司机室角柱区域设置防撞柱，以提高司机室的安全性能。为方便车辆在运行过程中观察信号及瞭望，在司机室前端、左右两侧都设有窗户且具有良好的视野。与铁路机车及其他双司机室工程车不同的是，ZER2型电力工程车入口门设置在司机室后墙，与走廊连通，方便运行过程中巡视。

设备间侧墙采用蒙皮和梁焊接为一体的框架式焊接结构。在考虑设备维修空间的前提下，侧墙上的立柱及横梁布置充分考虑力的传递路线。

2.2 柴油机安装结构设计

柴油机重量约为11．2吨，为保证其安装结构的强度，将柴油机直接安装在底架地板上，底架地板采用10mm钢板，与左右边梁及底架各梁对接，形成一个箱型结构。

合理分布柴油机安装螺栓，将螺栓位置与底架各梁布置相结合，使各螺栓受力均匀，使柴油机安装梁与底架构成一个整体以改善受力状况。对柴油机安装螺栓强度进行校核，保证柴油机安装螺栓具有充裕的安全系数；对柴油机安装座强度进行校核，保证柴油机安装区域不会出现较大应力。

柴油机本身为一大型箱体结构，其质量与车体底架质量相近，为避免二者出现共振，对柴油机内部各设备进行合理分布；对柴油机箱体底部安装梁及侧壁各梁进行刚度校核，通过模态分析确定其自振频率，并与车体频率相隔离。

2.3 应力集中部位的优化设计

因柴油机安装在II端司机室与设备间之间，致使车体上架两司机室之间在底架上部没有刚性连接，车体上架出现较大的变截面区域。通过静强度计算发现，计算应力较大点出现在设备间侧墙端部的检修门门角处，因此，在检修门门角处增加圆弧过渡，以避免应力集中。

对其他应力较大部位，通过增加板厚，优化结构、使用高强度材料等措施进行优化设计，确保车体静强度及疲劳强度都能满足相关标准要求，提高机车安全性。

3 车体计算

3.1 车体静强度计算

车体静强度计算按照EN 12663铁路应用-铁路车辆车体的结构要求进行。评判标准为：在任何载荷条件下，计算应力不超过对应区域母材/焊缝的许用应力。

压缩工况是车体所有载荷工况中最恶劣的一种，在工程车车体在承受1．3倍垂直载荷的同时，于牵引梁车钩安装处施加大小为1500kN的压缩载荷。车体最大应力达到259．93MPa，发生在设备间端部的检修门门角处，该处车体母材许用应力为355MPa，安全系数为1．29，满足设计要求，如图1所示。

图1 压缩工况应力分布图

随后对车体进行了静强度试验，车体1500kN纵向压缩实验工况下，该处应力为253．08MPa，计算应力与实验应力偏差率约为2．7%，符合性较好。

对车体进行了静强度试验并与仿真分析结果进行了比对，各应力测点的应力值均和计算结果基本吻合，误差率控制在10%以内，车体静强度满足设计要求。

3.2 车体刚度校核

车体刚度评判标准为：最大垂向载荷工况下，底架边梁中部的垂向位移不超过转向架定距的1‰，该车体转向架定距为7760mm，即计算及静强度试验结果均不应大于 7．76mm。

经计算，在1．3倍车体垂向载荷工况下，底架边梁中部垂向位移约为6．42mm；该工况下静强度试验边梁中部垂向位移为7．5mm，略大于计算结果，但仍满足设计要求。

3.3 车体模态计算

通过有限元分析的方法，对车体在1～50Hz频率范围内，车体振动形式的特性进行了分析，该车整备状态下车体一阶弯曲频率为4．10Hz。通过模态分析及试验验证，该车车体满足整备状态车体弯曲自振频率与转向架点头和浮沉振动频率的比值不小于1．4；车体弯曲自振频率与柴油机自振频率比值不小于1．4的要求。

4 结语

ZER2型电力工程车车体于2019年完成设计、试制及相关型式试验并开始服役，拓展了工程车维护车领域车体平台的谱系，创造了良好的社会经济效益。