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頂蓋是20E型機車車體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其作為高壓電器及通風(fēng)設(shè)備的載體，上面安裝有受電弓、高壓隔離開關(guān)、高壓互感器、真空斷路器、進風(fēng)網(wǎng)等設(shè)備，在這些設(shè)備之中，有的設(shè)備質(zhì)量重達一百多千克，最少的也有十幾千克。當(dāng)頂蓋設(shè)備在受到縱向和垂向沖擊載荷作用時，頂蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足強度要求;同時當(dāng)檢修人員在車頂進行檢修作業(yè)時，即頂蓋無梁區(qū)在3kN重力載荷作用下，頂蓋須滿足強度要求。而總體分配給頂蓋的質(zhì)量只有1.7t，頂蓋下梁的高度不能超過70mm。本研究針對20E型機車車內(nèi)及車頂設(shè)備的接口、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點和頂蓋的重量要求，對頂蓋進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析，合理地確定頂蓋蒙皮的厚度及頂蓋梁的間距大小和位置。
20E型機車頂蓋三維設(shè)計如圖所示，由4塊小頂蓋組成，每塊小頂蓋由縱梁和橫梁組成的網(wǎng)架式骨架、頂蓋蒙皮、各種設(shè)備安裝座和法蘭組成。20E型機車頂蓋主體結(jié)構(gòu)所用的材料主要為3mm厚的Q345B，各設(shè)備安裝座的材料為6,10,25,40mm厚的16MnDR。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BSEN12663-2000《鐵路設(shè)施-鐵路機車車身的結(jié)構(gòu)要求》和用戶的要求，頂蓋靜強度分析主要包括以下5種計算工況：車體頂蓋設(shè)備垂向3g沖擊載荷工況；車體頂蓋設(shè)備垂向3g沖擊載荷工況；車體頂蓋設(shè)備縱向3g沖擊載荷工況；車體頂蓋設(shè)備縱向-3g沖擊載荷工況；車體頂蓋無梁區(qū)域3kN重力載荷工況。20E型機車頂蓋所用的材料主要為低溫容器板16MnDR和Q345B。根據(jù)UIC566《客車車體及其部件載荷》的規(guī)定：車體母材區(qū)域的許用應(yīng)力為材料的屈服強度，焊縫區(qū)域的許用應(yīng)力，材料在靜載荷作用下的許用應(yīng)力值如表所示。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BSEN12663-2000的規(guī)定，車體在所有靜載荷工況的載荷作用下，車體的應(yīng)力均要求達到1.15的安全系數(shù)。車體頂蓋有限元模型如圖所示，頂蓋的主體結(jié)構(gòu)離散為三維殼單元，設(shè)備質(zhì)量離散為三維質(zhì)量單元。頂蓋有限元模型由113808個節(jié)點和112971個單元組成。其中：三維殼單元111956個、三維質(zhì)量單元72個和三維梁單元2195個。圖分別為車體頂蓋設(shè)備垂向3g沖擊載荷工況下的Top面和Bottom面von Mises應(yīng)力云圖。從分析結(jié)果可知，頂蓋Top面和Bottom面的最大von Mises應(yīng)力分別為285MPa和296.5MPa，此時頂蓋最小安全系數(shù)為345/296.5=1.16>1.15，因此，此工況下車體頂蓋滿足強度要求。圖分別為車體頂蓋設(shè)備垂向-3g沖擊載從分析結(jié)果可知，頂蓋Top面和Bottom面的最大vonMises應(yīng)力分別為290.8MPa和293.9MPa，此時頂蓋最小安全系數(shù)為345/293.9=1.17>1.15，因此，此工況下車體頂蓋滿足強度要求。圖分別為車體頂蓋設(shè)備縱向3g沖擊載荷工況下的Top面和Bottom面von Mises應(yīng)力云圖。從分析結(jié)果可知，頂蓋Top面和Bottom面的最大von Mises應(yīng)力分別為178.3MPa和181.6MPa，此時頂蓋最小安全系數(shù)為345/181.6=1.9>1.15，因此，此工況下車體頂蓋滿足強度要求。圖分別為車體頂蓋設(shè)備縱向-3g沖擊載荷工況下的Top面和Bottom面von Mises應(yīng)力云圖。從分析結(jié)果可知，頂蓋Top面和Bottom面的最大von Mises應(yīng)力分別為196.1MPa和202.6MPa，此時頂蓋最小安全系數(shù)為345/202.6=1.7>1.15，因此，此工況下車體頂蓋滿足強度要求。選擇檢修通道中無梁區(qū)域面積最大的位置作為此工況的分析區(qū)域，無梁區(qū)域最大的面積約為0.75m2，圖分別為車體頂蓋無梁區(qū)域3kN重力載荷工況下的Top面和Bottom面vonMises應(yīng)力云圖。從分析結(jié)果可知，頂蓋Top面和Bottom面的最大vonMises應(yīng)力分別為202.2MPa和205.7MPa，此時頂蓋最小安全系數(shù)為345/205.7=1.68>1.15。因此，此工況下車體頂蓋滿足強度要求。
本研究根據(jù)20E型機車車內(nèi)及車頂設(shè)備的接口、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點和頂蓋的重量要求，對頂蓋進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對20E型機車頂蓋在頂蓋設(shè)備垂向3g沖擊載荷工況、垂向3g沖擊載荷工況、縱向3g沖擊載荷工況、縱向3g沖擊載荷工況、無梁區(qū)域3kN重力載荷工況下進行強度分析，分析結(jié)果表明，20E型機車頂蓋滿足強度要求，頂蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。
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