屈 洪 費(fèi)龍仁 許 齊 邢瑩瑩

(中車戚墅堰機(jī)車有限公司 江蘇 常州 213011)

0 概述

該型內(nèi)燃機(jī)車是中車戚墅堰機(jī)車有限公司自主研發(fā)的4400馬力交流傳動(dòng)干線貨運(yùn)機(jī)車，機(jī)車采用雙司機(jī)室內(nèi)走廊整體承載結(jié)構(gòu)，主要由車架、側(cè)壁、間壁、車頂?shù)冉M焊而成。車架作為整個(gè)機(jī)車的主要承載部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等將直接影響機(jī)車的性能及運(yùn)行安全。因此車架必須要有足夠的強(qiáng)度與剛度，同時(shí)根據(jù)機(jī)車總體情況又要減輕自身的質(zhì)量，能夠滿足機(jī)車在各種工況下的安全運(yùn)行，并適應(yīng)重載牽引的要求。車架采用雙側(cè)梁及承載式燃油箱結(jié)構(gòu)，各部件模塊組焊而成。

1 車架結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

車架設(shè)計(jì)時(shí)，吸收了160 km/h客運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并融入了經(jīng)典東風(fēng)車型的設(shè)計(jì)元素。整車承載滿足壓縮3 000 kN、拉伸2 500 kN的載荷要求。車鉤采用102型車鉤，選用NC-390型緩沖器，油箱可用燃油為9 000 L。車架材料主要為Q420E、Q460E等低合金高強(qiáng)度鋼。車架主要由前后端部、側(cè)梁、旁承梁、承載式燃油箱、風(fēng)道梁、車架附件等部件組焊而成(見圖1)。

圖1 車架三維總圖

車架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：車架總長,22 500 mm；車架總寬，3 100 mm；車鉤中心線距軌面距離，(880±10)mm；兩車鉤中心線間距離，22 900 mm；兩外旁承中心間距，15 230 mm；車架上平面距軌面距離，1 630 mm。

2 車架主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車架采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)總體要求及接口尺寸，確定各主要梁，設(shè)置獨(dú)立的結(jié)構(gòu)模塊，由結(jié)構(gòu)模塊組焊成大部件，最后再組焊成車架。下面詳細(xì)介紹主要大部件的結(jié)構(gòu)。

2.1 車架端部

車架端部主要承擔(dān)機(jī)車運(yùn)行中車鉤力的傳遞，起到司機(jī)的正面、側(cè)面防撞功能以及防止機(jī)車爬車的防爬功能。根據(jù)這些功能，并考慮模塊制作的便捷性，確立了端部結(jié)構(gòu)由車鉤尾框、斜撐、防撞墻、角柱、防爬器、端部左右側(cè)梁、支撐梁等部件組焊而成。其中，車鉤尾框、斜撐主要用于傳遞機(jī)車運(yùn)行中的車鉤力，防撞墻、角柱、防爬器主要用于機(jī)車司機(jī)室正面?zhèn)让娴姆雷脖Ｗo(hù)，支撐梁用于排障器的支撐。車架端部分車架前、后端部，兩個(gè)端部結(jié)構(gòu)基本一致(見圖2)。

圖2 車架端部三維圖

車鉤尾框借鑒HXN5B型機(jī)車的結(jié)構(gòu)，主要由立板、前后從板座等組成，前后從板座焊接在車鉤尾框的立板上，車鉤尾框立板焊接在斜撐底板上。

斜撐采用箱型梁結(jié)構(gòu)，主要由上蓋板、立板、下蓋板組成。組成斜撐的各主要板參考HXN5K型客運(yùn)機(jī)車車架的板厚，再綜合貨運(yùn)大載荷的因素，經(jīng)過幾次優(yōu)化計(jì)算，最終確定上、下蓋板板厚分別為8 mm、25 mm，立板板厚為12 mm。并且左右斜撐共用下蓋板，考慮輕量化與強(qiáng)度雙重因素，將下蓋板分成前后兩部分，傳遞牽引力的部分板厚為25 mm，在靠近機(jī)車前端部分板厚減為8 mm。斜撐采用箱型梁結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)工字型結(jié)構(gòu)傳力更大，更穩(wěn)固、可靠，通過斜撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在輕量化的基礎(chǔ)上，將車鉤力有效傳遞至車架及車體。

防撞墻與角柱均由橫豎筋板加蓋板拼焊而成，與以往結(jié)構(gòu)相比，進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，豎筋為主要承載件，板厚保持為10 mm。將內(nèi)外蓋板板厚由初始的8 mm優(yōu)化為3 mm，橫筋由6～8 mm優(yōu)化為5 mm。防撞墻與角柱組合成機(jī)車端部的一堵“墻”，有效保護(hù)司乘人員的安全。

支撐梁是為了滿足排障器工況在端部立板內(nèi)側(cè)增加的小梁，由C型折彎件、鋼管、墊板組成，墊板主要用于承載、均化鋼管末端的應(yīng)力。

2.2 車架側(cè)梁裝配

側(cè)梁分為左、右側(cè)梁，分別由側(cè)板、腹板等組成(見圖3)，側(cè)梁是車架的主要梁，與車架各橫向梁組成為車架的骨架，用于承載機(jī)車柴油機(jī)、電氣柜等各設(shè)備，與側(cè)壁、司機(jī)室連接組成車體的主要部分，側(cè)梁在車體結(jié)構(gòu)中，主要傳遞機(jī)車的縱向力。

圖3 車架側(cè)梁裝配三維圖

側(cè)梁整體結(jié)構(gòu)為箱型結(jié)構(gòu)，長度為18 080 mm。結(jié)合承載燃油箱的連接，側(cè)梁也進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，將側(cè)板板厚由傳統(tǒng)的10 mm減小到8 mm，使得兩側(cè)邊梁總質(zhì)量下降250 kg，減重超過10%。

2.3 承載式燃油箱

車架的油箱采用承載式燃油箱結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)由后柴油機(jī)梁、油箱端部梁、副油箱、側(cè)油箱、蓄電池箱、加油口裝配、輔助系統(tǒng)裝配、蓋板裝配等主要結(jié)構(gòu)組成(見圖4)。承載式燃油箱兩側(cè)與側(cè)梁連接，是柴油主發(fā)電機(jī)的主要承載體，可用燃油9 000 L。

圖4 承載式燃油箱三維圖

承載式燃油箱頂面設(shè)有燃油吸油口、回油口，底部設(shè)有污油排放口、檢修口，端面設(shè)有觀察孔，側(cè)面設(shè)有蓄電池安裝空間及液位儀安裝接口、加油口等。

對承載式燃油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，油箱內(nèi)部各主要梁、板主要由中薄板組成，各板均設(shè)有減輕孔，寬大的減輕孔進(jìn)行翻邊增加穩(wěn)定性，油箱端部梁的立板開有3個(gè)大方孔再用薄板封補(bǔ)。

2.4 旁承梁裝配

旁承梁采用內(nèi)、外分體板梁式結(jié)構(gòu)，由內(nèi)旁承梁與外旁承梁組成，如圖5、圖6所示。設(shè)計(jì)時(shí)融入了經(jīng)典車型的旁承梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)又進(jìn)行了優(yōu)化。

圖5 外旁承梁正面視圖 圖6 外旁承梁反面視圖

本車架轉(zhuǎn)向架風(fēng)道及風(fēng)道出口均定位在旁承梁上，將旁承梁完全斷開，按照傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)旁承梁，將相應(yīng)加寬，增加斷開處的剛度與強(qiáng)度，這樣必定增加其質(zhì)量，旁承梁又與斜撐、側(cè)梁三角連接，因此經(jīng)過數(shù)次方案，引入節(jié)板的連接思路，采用長大節(jié)板，將旁承梁、斜撐通過節(jié)板與側(cè)梁連接，將斜撐與旁承梁的載荷傳遞至側(cè)梁，均化了連接部應(yīng)力，也可以減少旁承梁的寬度，達(dá)到旁承梁減重。具體結(jié)構(gòu)如圖7所示，由于斜撐在司機(jī)室下方，車架在司機(jī)室處低于其他地方30 mm，因此上節(jié)板做成一定坡度的臺(tái)階式形狀，臺(tái)階的一側(cè)與外旁承、邊梁的上平面連接平齊，另一側(cè)與斜撐上平面等高。下節(jié)板為平面形狀，與斜撐、外旁承等高連接后，與側(cè)梁連接，下平面利于縱向力的傳遞和應(yīng)力的均化[1]。

圖7 節(jié)板結(jié)構(gòu)連接圖

3 基于車架的車體仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真計(jì)算

該型內(nèi)燃機(jī)車采用雙司機(jī)室內(nèi)走廊結(jié)構(gòu)，主要以車架為基礎(chǔ)，與側(cè)壁、間壁、車頂?shù)冉M焊而成，共同承受垂向、縱向、扭轉(zhuǎn)、沖擊、防爬等載荷。因此，需要以整個(gè)車體結(jié)構(gòu)為對象進(jìn)行仿真計(jì)算，使車架的計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際情況。

車體強(qiáng)度計(jì)算主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB 2541—2010《機(jī)車車體靜強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)規(guī)范》[2]，防撞主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TJ/JW-102—2017《交流傳動(dòng)機(jī)車司機(jī)室防撞性暫行技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行，一共計(jì)算了12種不同工況下的應(yīng)力分布來驗(yàn)證機(jī)車車架的強(qiáng)度。通過有限元分析，各工況下應(yīng)力分布如表1所示。

表1 各工況下應(yīng)力分布表 /MPa

據(jù)TB 2541—2010標(biāo)準(zhǔn)，最大應(yīng)力發(fā)生在縱向壓縮載荷3 000 kN時(shí)，車架端部斜撐下蓋板與車鉤尾框裝配的端立板相交處出現(xiàn)的最大應(yīng)力值為422.2 MPa，小于材料的許用應(yīng)力值440 MPa，其應(yīng)力分布圖如圖8所示。其他工況下車體車架的應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值，通過計(jì)算表明，車架靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)TJ/JW-102—2017標(biāo)準(zhǔn)，最大應(yīng)力發(fā)生在防撞墻中部載荷900 kN時(shí)，中部防撞墻的內(nèi)側(cè)立板下端開孔處出現(xiàn)的最大應(yīng)力值為488.7 MPa，小于材料的許用應(yīng)力值520 MPa，其應(yīng)力分布圖如圖9所示。其他工況下車體車架的應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值，通過計(jì)算表明，車架端部滿足防撞、防爬要求。

圖8 車架壓縮載荷應(yīng)力分布圖

圖9 防撞墻中部載荷應(yīng)力分布圖

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)4400馬力貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)大綱和現(xiàn)場試驗(yàn)條件，完成了該型機(jī)車車體的強(qiáng)度試驗(yàn)(見圖10、圖11)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，車架應(yīng)力集中趨勢與仿真計(jì)算結(jié)果基本相符，所有測點(diǎn)的應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，因此試驗(yàn)結(jié)果表明車架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)圖 圖11 車體防撞試驗(yàn)圖

4 結(jié)束語

該型機(jī)車車架設(shè)計(jì)時(shí)，吸收總結(jié)了國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)車成熟技術(shù)及設(shè)計(jì)、運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，采用雙側(cè)梁、承載式燃油箱、端部箱型結(jié)構(gòu)斜撐、節(jié)板連接、防撞、防爬等結(jié)構(gòu)，充分利用仿真分析計(jì)算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高強(qiáng)度和剛度，滿足了設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)設(shè)計(jì)積累了參考經(jīng)驗(yàn)。