內(nèi)燃機(jī)車車體技術(shù)研究

郭充 王僉 王淑榮 柴學(xué)彬

摘要：簡(jiǎn)要介紹了內(nèi)燃機(jī)車的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)。重點(diǎn)介紹彈性司機(jī)室的結(jié)構(gòu)分析及輕量化車體的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：輕量化車體;隔離減振;振動(dòng)模態(tài)

0 ?引言

我國現(xiàn)階段鐵路干線運(yùn)輸以大功率電力機(jī)車重載牽引為主，內(nèi)燃機(jī)車是支線牽引的重要補(bǔ)充。隨著內(nèi)燃機(jī)車車體技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)車車體設(shè)計(jì)也有了較大變化，車體的輕量化設(shè)計(jì)和車體的振動(dòng)模態(tài)分析也是目前內(nèi)燃機(jī)車車體設(shè)計(jì)常遇的問題。

1 ?車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

內(nèi)燃機(jī)車車體一般主要由底架、司機(jī)室、側(cè)墻、隔墻、頂棚及燃油箱幾大部分組成。由于機(jī)車具體要求不同，機(jī)車司機(jī)室主要分為剛性連接和彈性連接兩種形式，而燃油箱也主要分為吊掛式燃油箱和與底架一體的整體式燃油箱兩種形式。

2 ?國內(nèi)外機(jī)車隔振結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

內(nèi)燃機(jī)車的隔振形式主要有兩種：一種是主動(dòng)隔振，即司機(jī)室剛性安裝在底架上，在柴油發(fā)電機(jī)組與車體底架之間安裝彈性支撐降低振動(dòng)的傳遞;另一種是被動(dòng)隔振，即將柴油發(fā)電機(jī)組剛性安裝在車體底架上，通過在司機(jī)室與底架之間布置減振器，以降低司機(jī)室的振動(dòng)。由于國內(nèi)常用機(jī)車主動(dòng)隔振形式，這種形式下的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完善和定型，本文不再研討，現(xiàn)通過連廠幾種被動(dòng)隔振形式的機(jī)車對(duì)內(nèi)燃機(jī)車車體設(shè)計(jì)主要問題進(jìn)行研究分析。

3 ?司機(jī)室設(shè)計(jì)

與國內(nèi)常用的機(jī)車司機(jī)室剛性連接方式不同，大連公司近幾年生產(chǎn)的HXN3型機(jī)車、HXN3B型機(jī)車以及FXN3機(jī)車由于柴油發(fā)電機(jī)組與底架剛性連接，所以司機(jī)室均采用了具有隔離減振功能的彈性連接方式。

3.1 彈性司機(jī)室減振元件及安裝方案

彈性司機(jī)室均采用樞軸支撐隔振系統(tǒng)：兩個(gè)橡膠軸承減振器安裝在司機(jī)室后部，減振器水平橫向放置，較低的轉(zhuǎn)軸剛度使司機(jī)室及隔振系統(tǒng)具有較低的“點(diǎn)頭”模態(tài)頻率;兩個(gè)彈簧垂直放置于司機(jī)室前端的兩角，彈簧主要用于控制“點(diǎn)頭”模態(tài)的頻率;兩個(gè)阻尼器與彈簧平行布置，用于減少軌道不平引起的低頻振動(dòng);司機(jī)室前端與車體間布置兩個(gè)橫向連桿，連桿限制了司機(jī)室的橫向運(yùn)動(dòng)，可以控制司機(jī)室的搖頭模態(tài)。通過司機(jī)室模態(tài)計(jì)算可以確定各減振元件的型號(hào)和參數(shù)。司機(jī)室減振元件布置見圖1。

3.2 司機(jī)室隔振性能分析

對(duì)于被動(dòng)隔振形式的內(nèi)燃機(jī)車，其司機(jī)室需要隔離兩個(gè)振源產(chǎn)生的振動(dòng)：柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的高頻激擾以及軌道不平順?biāo)鸬牡皖l激擾，當(dāng)激擾頻率接近司機(jī)室的自振頻率時(shí)，司機(jī)室就會(huì)產(chǎn)生共振。

根據(jù)司機(jī)室?guī)缀螀?shù)與安裝元件參數(shù)建立司機(jī)室的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)該模型進(jìn)行線性系統(tǒng)分析，通過分析結(jié)構(gòu)在正弦激勵(lì)下的頻率響應(yīng)函數(shù)，判斷結(jié)構(gòu)是否能夠滿足隔振需要，對(duì)兩種需要隔離的振動(dòng)情況進(jìn)行分析，通過研究彈性元件安裝參數(shù)對(duì)隔振性能的影響，最終確定司機(jī)室減振元件的最后參數(shù)特征。（圖 2）

4 ?車體輕量化設(shè)計(jì)

4.1 國內(nèi)外車體輕量化設(shè)計(jì)的研究

機(jī)車車體的輕量化設(shè)計(jì)是指通過多種設(shè)計(jì)手段，最終實(shí)現(xiàn)在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下減輕車體重量的目的。目前，我公司采取的是傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。

傳統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者首先憑借經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)思車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提出方案模型，然后進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核，直到滿足設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)是根據(jù)給定的設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)有的技術(shù)條件，應(yīng)用專業(yè)理論和優(yōu)化方法，在電子計(jì)算機(jī)上滿足給定的設(shè)計(jì)要求的許多可行方案中，按照給定的指標(biāo)自動(dòng)地選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

我國過去的機(jī)車車體絕大部分只做了強(qiáng)度分析工作，尚未全面進(jìn)行優(yōu)化分析工作，少數(shù)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的機(jī)車也主要是從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，依靠有限元強(qiáng)度分析結(jié)果和多年來從事機(jī)車設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化機(jī)車車體的局部結(jié)構(gòu)，以此來減輕車體的重量，相信隨著車體輕量化設(shè)計(jì)要求的增多，國內(nèi)很快會(huì)形成一個(gè)完善的車體輕量化計(jì)算體系。

除了車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以外，選用高強(qiáng)度材料及非承載件使用輕型材料也是我們現(xiàn)在車體輕量化設(shè)計(jì)所采取的常用手段。

4.2 車體模態(tài)分析與研究

對(duì)于采用減振結(jié)構(gòu)彈性司機(jī)室的車體而言，需要將司機(jī)室減振元件與機(jī)車車體振動(dòng)情況進(jìn)行綜合分析研究。以HXN3B機(jī)車為例，在其車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)及與設(shè)備諧振關(guān)系研究計(jì)算中，不僅對(duì)車體進(jìn)行了整體模態(tài)分析，還對(duì)包括司機(jī)室在內(nèi)（重點(diǎn)）的車上各機(jī)械間分別進(jìn)行了振動(dòng)分析，關(guān)于該車的模態(tài)和諧振分析簡(jiǎn)單介紹如下：

為保證車體結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中具有良好的振動(dòng)特性，根據(jù)所設(shè)計(jì)的車體結(jié)構(gòu)、所用材料以及設(shè)備布置，建立車體結(jié)構(gòu)計(jì)算力學(xué)模型，對(duì)車體結(jié)構(gòu)通過采用通用有限元程序ANSYS軟件進(jìn)行了整體模態(tài)分析、司機(jī)室橡膠關(guān)節(jié)剛度的優(yōu)化以及司機(jī)室諧振分析。

計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)司機(jī)室橡膠關(guān)節(jié)靜剛度取徑向19.2（kN/mm），軸向49.5（kN/mm）時(shí)，在柴油機(jī)1000r/min工作狀態(tài)下，司機(jī)室座椅處振幅最小。優(yōu)化了橡膠關(guān)節(jié)后的司機(jī)室在柴油機(jī)工作狀態(tài)下較好的避開了其工作頻率1/2的倍頻。

在計(jì)算模型的建立中，充分考慮了車體各部分連接的真實(shí)情況。車體結(jié)構(gòu)的薄板采用殼單元進(jìn)行離散，厚板和鑄件采用體單元進(jìn)行離散。所有計(jì)算分析均在有限元通用商業(yè)軟件ANSYS上完成。

下表為整備狀態(tài)下車體底架出現(xiàn)的較為明顯的固有振動(dòng)模態(tài)。

下表為整備狀態(tài)下司機(jī)室出現(xiàn)的較為明顯的固有模態(tài)。

在機(jī)車整備狀態(tài)下，對(duì)HXN3B機(jī)車進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果如下：

通過模態(tài)驗(yàn)證分析，在試驗(yàn)頻段頻響函數(shù)擬合曲線與實(shí)際測(cè)量的誤差控制在3%。模態(tài)判別準(zhǔn)則MAC矩陣中非對(duì)角項(xiàng)都小于10%，所有共振頻率處一階和二階模態(tài)指示函數(shù)（MIF）均是局部最小值。模態(tài)參預(yù)（MP）表表明各分析頻段上各模態(tài)的對(duì)兩激勵(lì)的有效性?？傊ㄟ^模態(tài)分析得出的模態(tài)參數(shù)是有效模態(tài)。

5 ?結(jié)語

采用減振式司機(jī)室及整體式燃油箱與柴油機(jī)支撐座的一體化結(jié)構(gòu)可以增加司機(jī)室的舒適性，也保證了車體中間的剛度。同時(shí)運(yùn)用高強(qiáng)度材料和有限元分析實(shí)現(xiàn)輕量化高強(qiáng)度的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑維千.內(nèi)燃機(jī)車總體及走行部[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[2]劉惟信.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[3]王僉.FXN3型客運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車車體設(shè)計(jì)與分析[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2019.