一種內燃機車車架設計

屈 洪 費龍仁 許 齊 邢瑩瑩

(中車戚墅堰機車有限公司 江蘇 常州 213011)

0 概述

該型內燃機車是中車戚墅堰機車有限公司自主研發的4400馬力交流傳動干線貨運機車，機車采用雙司機室內走廊整體承載結構，主要由車架、側壁、間壁、車頂等組焊而成。車架作為整個機車的主要承載部件，其結構強度等將直接影響機車的性能及運行安全。因此車架必須要有足夠的強度與剛度，同時根據機車總體情況又要減輕自身的質量，能夠滿足機車在各種工況下的安全運行，并適應重載牽引的要求。車架采用雙側梁及承載式燃油箱結構，各部件模塊組焊而成。

1 車架結構及技術參數

車架設計時，吸收了160 km/h客運內燃機車的設計經驗，并融入了經典東風車型的設計元素。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等低合金高強度鋼。車架主要由前后端部、側梁、旁承梁、承載式燃油箱、風道梁、車架附件等部件組焊而成(見圖1)。

圖1 車架三維總圖

車架的主要結構參數如下：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 車架主要部件結構設計

車架采用模塊化設計，根據總體要求及接口尺寸，確定各主要梁，設置獨立的結構模塊，由結構模塊組焊成大部件，最后再組焊成車架。下面詳細介紹主要大部件的結構。

2.1 車架端部

車架端部主要承擔機車運行中車鉤力的傳遞，起到司機的正面、側面防撞功能以及防止機車爬車的防爬功能。根據這些功能，并考慮模塊制作的便捷性，確立了端部結構由車鉤尾框、斜撐、防撞墻、角柱、防爬器、端部左右側梁、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車運行中的車鉤力，防撞墻、角柱、防爬器主要用于機車司機室正面側面的防撞保護，支撐梁用于排障器的支撐。車架端部分車架前、后端部，兩個端部結構基本一致(見圖2)。

圖2 車架端部三維圖

車鉤尾框借鑒HXN5B型機車的結構，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。

斜撐采用箱型梁結構，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型客運機車車架的板厚，再綜合貨運大載荷的因素，經過幾次優化計算，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，在靠近機車前端部分板厚減為8 mm。斜撐采用箱型梁結構，比傳統工字型結構傳力更大，更穩固、可靠，通過斜撐結構的優化設計，可在輕量化的基礎上，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，與以往結構相比，進行了輕量化設計，豎筋為主要承載件，板厚保持為10 mm。將內外蓋板板厚由初始的8 mm優化為3 mm，橫筋由6～8 mm優化為5 mm。防撞墻與角柱組合成機車端部的一堵“墻”，有效保護司乘人員的安全。

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

2.2 車架側梁裝配

側梁分為左、右側梁，分別由側板、腹板等組成(見圖3)，側梁是車架的主要梁，與車架各橫向梁組成為車架的骨架，用于承載機車柴油機、電氣柜等各設備，與側壁、司機室連接組成車體的主要部分，側梁在車體結構中，主要傳遞機車的縱向力。

圖3 車架側梁裝配三維圖

側梁整體結構為箱型結構，長度為18 080 mm。結合承載燃油箱的連接，側梁也進行了輕量化設計，將側板板厚由傳統的10 mm減小到8 mm，使得兩側邊梁總質量下降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構，其主要結構由后柴油機梁、油箱端部梁、副油箱、側油箱、蓄電池箱、加油口裝配、輔助系統裝配、蓋板裝配等主要結構組成(見圖4)。承載式燃油箱兩側與側梁連接，是柴油主發電機的主要承載體，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有燃油吸油口、回油口，底部設有污油排放口、檢修口，端面設有觀察孔，側面設有蓄電池安裝空間及液位儀安裝接口、加油口等。

對承載式燃油箱結構進行輕量化設計，油箱內部各主要梁、板主要由中薄板組成，各板均設有減輕孔，寬大的減輕孔進行翻邊增加穩定性，油箱端部梁的立板開有3個大方孔再用薄板封補。

2.4 旁承梁裝配

旁承梁采用內、外分體板梁式結構，由內旁承梁與外旁承梁組成，如圖5、圖6所示。設計時融入了經典車型的旁承梁結構，同時又進行了優化。

圖5 外旁承梁正面視圖 圖6 外旁承梁反面視圖

本車架轉向架風道及風道出口均定位在旁承梁上，將旁承梁完全斷開，按照傳統方式設計旁承梁，將相應加寬，增加斷開處的剛度與強度，這樣必定增加其質量，旁承梁又與斜撐、側梁三角連接，因此經過數次方案，引入節板的連接思路，采用長大節板，將旁承梁、斜撐通過節板與側梁連接，將斜撐與旁承梁的載荷傳遞至側梁，均化了連接部應力，也可以減少旁承梁的寬度，達到旁承梁減重。具體結構如圖7所示，由于斜撐在司機室下方，車架在司機室處低于其他地方30 mm，因此上節板做成一定坡度的臺階式形狀，臺階的一側與外旁承、邊梁的上平面連接平齊，另一側與斜撐上平面等高。下節板為平面形狀，與斜撐、外旁承等高連接后，與側梁連接，下平面利于縱向力的傳遞和應力的均化[1]。

圖7 節板結構連接圖

3 基于車架的車體仿真計算與試驗驗證

3.1 仿真計算

該型內燃機車采用雙司機室內走廊結構，主要以車架為基礎，與側壁、間壁、車頂等組焊而成，共同承受垂向、縱向、扭轉、沖擊、防爬等載荷。因此，需要以整個車體結構為對象進行仿真計算，使車架的計算結果更貼近實際情況。

車體強度計算主要依據標準TB 2541—2010《機車車體靜強度實驗規范》[2]，防撞主要依據標準TJ/JW-102—2017《交流傳動機車司機室防撞性暫行技術規范》進行，一共計算了12種不同工況下的應力分布來驗證機車車架的強度。通過有限元分析，各工況下應力分布如表1所示。

表1 各工況下應力分布表 /MPa

據TB 2541—2010標準，最大應力發生在縱向壓縮載荷3 000 kN時，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的最大應力值為422.2 MPa，小于材料的許用應力值440 MPa，其應力分布圖如圖8所示。其他工況下車體車架的應力值均小于許用應力值，通過計算表明，車架靜強度滿足設計要求。

根據TJ/JW-102—2017標準，最大應力發生在防撞墻中部載荷900 kN時，中部防撞墻的內側立板下端開孔處出現的最大應力值為488.7 MPa，小于材料的許用應力值520 MPa，其應力分布圖如圖9所示。其他工況下車體車架的應力值均小于許用應力值，通過計算表明，車架端部滿足防撞、防爬要求。

圖8 車架壓縮載荷應力分布圖

圖9 防撞墻中部載荷應力分布圖

3.2 試驗驗證

根據4400馬力貨運內燃機車車體靜強度試驗大綱和現場試驗條件，完成了該型機車車體的強度試驗(見圖10、圖11)。試驗結果顯示，車架應力集中趨勢與仿真計算結果基本相符，所有測點的應力值均小于材料的許用應力，因此試驗結果表明車架強度滿足設計要求。

圖10 車體靜強度試驗圖 圖11 車體防撞試驗圖

4 結束語

該型機車車架設計時，吸收總結了國內外內燃機車成熟技術及設計、運用經驗，采用雙側梁、承載式燃油箱、端部箱型結構斜撐、節板連接、防撞、防爬等結構，充分利用仿真分析計算，優化結構、提高強度和剛度，滿足了設計要求，為后續設計積累了參考經驗。