箱式內(nèi)燃電傳動機車動力包設(shè)計

于 洋

（中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116021）

0 引言

鐵路運輸具有運輸能力大、運輸成本低等特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和人民的日常生活。當(dāng)前的主流鐵路以電氣化鐵路為主，但仍有大量場景不適合電力機車的推廣與應(yīng)用，如某些大型工廠需要在廠內(nèi)運輸大量物料，鐵路運輸較為合適，但是建造電氣化鐵路成本較高且受空間限制，使得內(nèi)燃電傳動機車成為最佳選擇；又如國際化鐵路的建設(shè)，在各個國家之間跨國鋪設(shè)電力設(shè)備難度較大，也使內(nèi)燃電傳動機車成為不錯的參考[1-2]。因此，內(nèi)燃電傳動機車仍有較大的市場應(yīng)用空間。

動力包是內(nèi)燃電傳動機車的重要組成部件，主要為機車提供電能和傳遞扭矩，本文主要介紹一種箱式內(nèi)燃電傳動機車動力包。

1 原理與結(jié)構(gòu)

1.1 基本原理

箱式內(nèi)燃電傳動機車動力包采用立式柴油機和勵磁交流發(fā)電機組成內(nèi)燃柴發(fā)機組，柴油機、勵磁發(fā)電機放置在安裝底架上，配以電氣系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、管路、散熱器等，以維持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，整個系統(tǒng)產(chǎn)生電力和扭矩供機車使用，靜音箱將所有部件籠罩其中，起防護和降噪作用。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

箱式內(nèi)燃電傳動機車動力包主要由安裝底架、柴油機、發(fā)電機、進氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、靜音箱等組成[3]，其實物圖如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。

表1 動力包參數(shù)

圖1 箱式動力包

1.2.1發(fā)電機

為保證動力包輸出功率為250 kW 且滿足經(jīng)濟性要求，采用額定功率250 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定電壓AC650 V，額定電流234 A，功率因數(shù)0.95的勵磁發(fā)電機，發(fā)電機為單軸承支撐結(jié)構(gòu)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器片與柴油機飛輪盤連接，發(fā)電機前端蓋與柴油機飛輪殼連接，柴油機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電力。

1.2.2柴油機

由于車上動力包空間較為充裕，結(jié)合主機廠提供的接口尺寸和技術(shù)要求以及與發(fā)電機的配合形式，選用一款直列6 缸、四沖程的立式柴油機，該柴油機的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，持續(xù)功率為295 kW。

1.2.3柴油機輔助系統(tǒng)

柴油機輔助系統(tǒng)是輔助柴油機正常工作的關(guān)鍵組成，包括進氣部分、排氣部分、燃油部分、水暖加熱器部分。

進氣部分擁有一個空氣濾清器、增壓器及配套管路，為柴油機提供充足且清潔的空氣進行燃燒，濾清器上配有壓差計，當(dāng)壓差計報警之后就需要進行濾芯更換；排氣部分包含一個消音器和配套管路；燃油部分包括燃油的進出油管路、燃油濾清器、手動泵，這些部件合理布置在柴油機周圍，以便后續(xù)修理或更換；水暖加熱器安裝在柴油機尾部，當(dāng)環(huán)境溫度低于柴油機工作溫度時，水暖加熱器通過加熱循環(huán)水將柴油機加熱到允許工作溫度后方可起機。

1.2.4散熱系統(tǒng)

散熱系統(tǒng)主要給柴油機和增壓空氣進行冷卻，散熱系統(tǒng)采用尾置式，主要由水散熱器、散熱風(fēng)扇、風(fēng)扇馬達、膨脹水箱、散熱管路等組成。風(fēng)扇馬達帶動散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，當(dāng)散熱介質(zhì)流過散熱器時，流動的空氣帶動多余的熱量散失，整個動力包為負(fù)壓式，空氣通過百葉門窗進入，從動力包尾部散出。

1.2.5電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要控制柴油機、散熱風(fēng)扇的啟停、速度，并對柴油機的冷卻水溫度、增壓空氣的溫度、柴油機轉(zhuǎn)速、輸出功率等進行監(jiān)測，同時與整車系統(tǒng)通信，發(fā)送動力包實時狀態(tài)[4]。

1.2.6框架

框架包括安裝底架、靜音箱以及減震元件。安裝底架由矩形鋼管、角鋼、鈑金件焊接而成，分為上下兩部分，上層的安裝底架直接安裝柴油機和發(fā)電機，下層的安裝底架設(shè)置管路支架、電控箱支架以及其他輔助部件的安裝支架；兩層安裝底架之間通過減震元件連接，既可以保證柴油機和發(fā)電機之間的安裝穩(wěn)定性，又可以起到減震作用。靜音箱的框架由矩形鋼管焊接而成，框架之間的空隙部分以鋼板焊接填充，同時留有百葉門窗以及電氣接口，靜音箱內(nèi)部用多孔板將靜音棉壓裝在靜音箱內(nèi)墻上，以達到噪聲控制要求。

2 仿真與計算

安裝框架是動力包的支撐主體，關(guān)系到動力包的穩(wěn)定性。假設(shè)材料一致、線性結(jié)構(gòu)、小變形、不考慮溫度的影響，對動力包安裝框架進行靜強度和疲勞強度分析。對復(fù)雜部件進行簡化，以質(zhì)量點代替。質(zhì)量點位于部件空間中心，用固定約束約束于安裝點。螺栓連接以梁單元代替，減震器用橡膠彈簧代替[5]。

2.1 靜強度分析

為探究不同工況下安裝框架的狀態(tài)，分6 種工況對框架不同方向施加不同重力加速度，對框架進行靜強度仿真分析[6-7]，具體工況設(shè)計如表2 所示，6 種工況下的靜強度分析結(jié)果分別如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。

表2 靜強度分析工況

圖2 工況1

圖3 工況2

圖4 工況3

圖5 工況4

圖6 工況5

圖7 工況6

計算結(jié)果與實際材料的許用應(yīng)力對比如表3 所示。從分析結(jié)果可以看出，母材應(yīng)力最大的工況為工況5，最大應(yīng)力為281 MPa，位置在柴油機安裝座處；焊縫應(yīng)力最大的工況為工況1，最大應(yīng)力為216.3 MPa，位置在柴油機安裝座焊縫處。最大框架局部應(yīng)力和最大焊縫局部應(yīng)力分別如圖8、圖9 所示。所有計算結(jié)果均小于許用應(yīng)力，證明所設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠滿足各種工況的使用要求。

表3 靜強度分析結(jié)果

圖8 框架局部應(yīng)力

圖9 焊縫局部應(yīng)力

2.2 疲勞分析

在框架疲勞分析方面，根據(jù)規(guī)范設(shè)置8 種工況進行分析[8]，具體如表4所示。

表4 疲勞分析工況

動力包柴油機發(fā)電機組安裝在公共底架上，公共底架通過減震器連接在底架上，將動力包底架與車體安裝螺栓位置進行約束。動力包疲勞強度邊界條件如圖10 所示，在圖示位置做固定約束，疲勞分析結(jié)果如表5所示。

表5 疲勞分析結(jié)果

圖10 動力包疲勞強度工況邊界條件

從疲勞分析結(jié)果可以看出，母材疲勞最大應(yīng)力為87.6 MPa，焊縫疲勞最大應(yīng)力為39.5 MPa，均小于相應(yīng)的疲勞許用應(yīng)力值，滿足設(shè)計要求。

2.3 模態(tài)分析

動力包柴油機組采用彈性安裝方式，故模態(tài)分析工況為框架結(jié)構(gòu)的無約束模態(tài)分析[9]。動力包模態(tài)分析結(jié)果如表6 所示，由模態(tài)分析結(jié)果可知，框架一階模態(tài)振型為扭轉(zhuǎn)，一階固有頻率為13.1 Hz。

表6 模態(tài)分析結(jié)果

2.4 減震計算

動力包上下兩層底架由6 個減震器連接，減震系統(tǒng)如圖11 所示。以柴油機飛輪端端面中心為原點，X軸為柴油機輸出軸軸線方向，正向為散熱器方向；Y軸為與X軸垂直的水平方向，油尺側(cè)為正向；Z軸為垂直方向，向上為正。在靜載荷作用下，減震器的變形量如表7所示。

表7 靜載荷作用下減震器的變形量

圖11 減震系統(tǒng)

計算結(jié)果表明，在靜載荷的作用下，減震器的變形量在X方向和Y方向都為0，變形發(fā)生在Z方向，6 個減震器的最大變形為3.9 mm。同時，為了探究動力包可能出現(xiàn)的傾斜情況，分別計算動力包橫傾22.5°和縱傾22.5°時減震器的變形情況，在橫傾工況下，6 個減震器的最大變形量為2.6 mm；在縱傾工況下，6 個減震器的最大變形量為0.4 mm。由計算結(jié)果可以看出，在柴發(fā)機組減震器的重力靜變形和穩(wěn)定性的分析中，重力靜變形較為理想，該發(fā)電機組隔振系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

3 動力包性能測試

在動力包組裝完成后，安裝于試驗框架上，按照要求完成試驗前的安裝及檢查。在25%額定功率運行5 min，50%額定功率運行5 min，75%額定功率運行5 min，100%額定功率運行5 min，110%額定功率運行5 min 時的各項參數(shù)如表8 所示[10]。從試驗結(jié)果可以看出，該動力包的各項參數(shù)都在正常范圍內(nèi)，能夠持續(xù)穩(wěn)定地輸出電能。

表8 試驗參數(shù)

4 結(jié)語

本文介紹了一種箱式內(nèi)燃電傳動機車動力包的設(shè)計和驗證過程，結(jié)果表明，在柴發(fā)機組減震器的重力靜變形和穩(wěn)定性的分析中，重力靜變形較為理想，且隔振系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。該動力包的各項參數(shù)都在正常范圍內(nèi)，適應(yīng)性強，可廣泛應(yīng)用于各種軌道交通車輛或為其他設(shè)備提供動力源，具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景。