CDN10型內(nèi)燃機(jī)車燃油箱的設(shè)計(jì)

王 旭

（1.北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司;2.大連粉末冶金廠技術(shù)質(zhì)量部,遼寧 大連 116000）

CDN10型內(nèi)燃機(jī)車燃油箱的設(shè)計(jì)

王 旭1,2

（1.北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司;2.大連粉末冶金廠技術(shù)質(zhì)量部,遼寧 大連 116000）

本文介紹CDN10型內(nèi)燃機(jī)車（即二零一二年出口伊朗內(nèi)燃機(jī)車）燃油箱的設(shè)計(jì)過(guò)程。

內(nèi)燃機(jī)車;燃油箱;三維輔助設(shè)計(jì)

1 前言

圖1 CDN10內(nèi)燃機(jī)車效果圖

CDN10型內(nèi)燃機(jī)車是北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司為伊朗三家鐵路運(yùn)輸公 司（Perse rail Co., Tuka rail Co., Albro Niroo Co.）設(shè)計(jì)并制造的干線貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車。該機(jī)車采用單側(cè)司機(jī)室外走廊結(jié)構(gòu)，使用國(guó)產(chǎn)16V240ZJD1型柴油機(jī)，并由無(wú)刷勵(lì)磁同步主發(fā)電機(jī)與109B型滾動(dòng)抱軸牽引電動(dòng)機(jī)組成交-直流傳動(dòng)。該機(jī)帶有電阻制動(dòng)及雙機(jī)重聯(lián)功能。該機(jī)車運(yùn)用軌距為1435mm，采用CO-CO軸式，帶有電阻制動(dòng)及雙機(jī)重聯(lián)等功能。該機(jī)車裝車功率為2650kW，最高速度為100km/h。

2 燃油箱的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)車燃油箱設(shè)計(jì)要求

CDN10內(nèi)燃機(jī)車燃油箱設(shè)計(jì)要求如下：

1）機(jī)車所使用國(guó)產(chǎn)16V240ZJD1型柴油機(jī)

2）機(jī)車運(yùn)行地區(qū)環(huán)境溫度-25 ℃～+50 ℃

3）機(jī)車運(yùn)行地區(qū)空氣相對(duì)濕度：約85%

4）機(jī)車運(yùn)行地區(qū)最高海拔1400m

5）機(jī)車運(yùn)行地區(qū)環(huán)境條件為干燥、多沙塵及雨雪

6）機(jī)車運(yùn)行地區(qū)動(dòng)態(tài)限界應(yīng)符合UIC505-1

7）燃油箱與底架之間采用吊裝結(jié)構(gòu)

8）燃油箱中應(yīng)設(shè)計(jì)有污油箱，污油箱容積約70L

9）燃油箱計(jì)算容積不小于7000L。

10）燃油箱箱體凈重約2000kg

11）燃油箱需要進(jìn)行強(qiáng)度與剛度計(jì)算與驗(yàn)證

12）燃油箱與蓄電池箱為分體結(jié)構(gòu)，分別吊裝在底架下方

13）燃油箱與蓄電池之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)母魺岽胧?/p>

14）燃油箱采用外購(gòu)8F4-GYK型加油口

15）燃油箱加油口位置附近需安裝油位觀察器

16）燃油箱采用氣壓傳感式油位儀

17）燃油箱兩側(cè)及底部應(yīng)避免部件探出箱體

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

本次設(shè)計(jì)采用PROE三維輔助設(shè)計(jì)，按照“整體定形-細(xì)部設(shè)計(jì)-整體驗(yàn)證”的方式加以設(shè)計(jì)。

1）確定燃油箱箱體外形尺寸及為蓄電池箱預(yù)留空間。由于機(jī)車總體外形已經(jīng)在前期確定，考慮排障器外形及底架寬度及轉(zhuǎn)向架預(yù)留空間，初步確定箱體長(zhǎng)4560，寬2880，高800。

根據(jù)機(jī)車運(yùn)行地區(qū)動(dòng)態(tài)限界并考慮輪緣磨耗等因素，在PROE中繪制出燃油箱、蓄電池箱、風(fēng)缸的三維外形及相應(yīng)的空間關(guān)系。

圖2 燃油箱外形及相關(guān)的空間關(guān)系

2）確定燃油箱各種接口的位置及污油箱位置。由于燃油箱功能的特殊性及其在機(jī)車布局中的位置，其設(shè)計(jì)中需要綜合考慮諸多因素。在與相關(guān)部門溝通后確定包括吸油口、回油口、污油回收口、排污口、油位儀風(fēng)管接口、總風(fēng)管、蓄電池過(guò)線等相關(guān)內(nèi)容。

并根據(jù)污油回收口的位置將污油箱安置在燃油箱體后端右側(cè)底部。考慮吊裝需要及使用便利性，確定箱體左后及右前分別設(shè)置傾斜的加油口。

3）選用燃油箱吊座的選擇及確定位置。根據(jù)已確定的燃油箱外形及相關(guān)尺寸等，估算燃油箱的質(zhì)量不大于2500kg，容積約7200L，燃油最大重量約6120kg，兩端風(fēng)缸總重518.9kg。計(jì)算吊座承重6120+518.9+2500=9138.9kg

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，參考了容積、自重選擇了DF4DD型內(nèi)燃機(jī)車燃油箱為藍(lán)本，并選用其吊座為油箱吊座的初步方案。并確定四只吊座橫向縱向間距分別為2110及4668。

4）細(xì)部設(shè)計(jì)。在燃油箱的細(xì)部設(shè)計(jì)中，考慮生產(chǎn)的便利性及工藝的可行性，采取了以制造過(guò)程為設(shè)計(jì)過(guò)程的方法。參考DF4DD燃油箱確定個(gè)部件初步尺寸，并選擇整體使用Q235A材質(zhì)板材。

底板：底板選用5mm鋼板并以折彎加固。綜合現(xiàn)有胎具確定第一角度為177度第二角度為45度。

端板：端板選用6mm鋼板一體制造。

主立板：由于此次設(shè)計(jì)的燃油箱體不含蓄電池箱部分，且在箱體中部?jī)蓚?cè)還需預(yù)留蓄電池箱位置，使得油箱整體承載只依賴主立板。因此主立板保守選用了10mm鋼板，并進(jìn)行折彎加固。

隔板：箱體內(nèi)部設(shè)計(jì)兩縱四橫共14塊隔板。隔板選用4mm鋼板四邊折彎加固，四角開(kāi)圓形過(guò)氣孔，中間開(kāi)過(guò)油孔并翻邊加固。縱隔板間距為760。

側(cè)板：在預(yù)留蓄電池箱位置設(shè)置選用6mm鋼板制成側(cè)板封閉箱體，并以18度角將主立板與底板兩側(cè)連接。這樣預(yù)留了蓄電池箱過(guò)線空間又提高了蓄電池箱后側(cè)散熱能力。

污油箱：在油箱體預(yù)定位置選用4mm鋼板隔離出一個(gè)獨(dú)立的空間形成污油箱，并根據(jù)污油箱容積調(diào)整隔板的高度。

開(kāi)孔：為保持油箱各分割區(qū)域壓力平衡，在主立板的個(gè)別位置加開(kāi)過(guò)油和過(guò)氣孔。為方便制造、檢查及日后維護(hù)在油箱端板、底板及主立板加開(kāi)檢查孔。

結(jié)構(gòu)加固：在端板內(nèi)側(cè)吊座對(duì)應(yīng)位置增加一道縱向隔板加強(qiáng)端板的承重結(jié)構(gòu)，并且用了一條斜筋將吊座與主立板連接成穩(wěn)定的箱型結(jié)構(gòu)。在底板平面增加橫向筋板并連接縱隔板與主立板。

蓋板及加油口：蓋板在箱體結(jié)構(gòu)中不起主要承載作用，因此選用了4mm鋼板，并在縱橫隔板及主立板相應(yīng)位置開(kāi)塞焊孔。在箱體預(yù)定位置，斜蓋板并安裝加油口接環(huán)。在加油口側(cè)的端板上開(kāi)油位觀察器過(guò)油孔。

吸油回油管：根據(jù)系統(tǒng)配管要求，吸油口及回油口需要與水平成30度角，在不彎曲吸油管的情況下其最底位置不在箱體正中，這樣就造成機(jī)車在坡路運(yùn)行時(shí)有效油位發(fā)生變化。通過(guò)計(jì)算，在30‰坡度的極限狀態(tài)下，下上坡最大存油約330L，下坡最大存油約860L，而平路最大存油約590L。

氣壓傳感器風(fēng)管：由于要求采用氣壓傳感式油位儀，因此在油箱體中按要求預(yù)留風(fēng)管。

檢查孔：根據(jù)實(shí)際要求，底板探出箱體的四個(gè)檢查孔座進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，在通用檢查孔座基礎(chǔ)上進(jìn)行加厚并改用內(nèi)側(cè)安裝，通過(guò)增加階梯面來(lái)避免檢查孔蓋探出箱體。端板及主立板上的檢查孔依舊采用通用檢查孔座。

圖3 兩種檢查孔座對(duì)比

吊座及風(fēng)缸座：根據(jù)前期擬訂方案安裝吊座并根據(jù)安裝高度調(diào)整吊座高度。根據(jù)機(jī)車選用風(fēng)缸配置風(fēng)缸座板等風(fēng)缸安裝件并調(diào)整安裝高度。

相關(guān)閥門、接頭、及加強(qiáng)件：在燃油箱底板兩端分別安裝排污閥及瀉油堵。在污油箱位置安裝接頭體，設(shè)定污油油位上限并安裝溢油管。在箱體蓋板中心安裝通用型號(hào)檢查孔，其檢查孔上部設(shè)有通氣孔以平衡箱體內(nèi)外氣壓。在箱體底部安裝油箱座，其位置與橫隔板對(duì)應(yīng)。在底板第一折彎處外側(cè)加裝角鋼進(jìn)行防護(hù)。

隔熱裝置：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在燃油箱主立板外側(cè)與蓄電池箱相鄰位置加裝保溫層以達(dá)到隔熱作用。保溫層內(nèi)部填充復(fù)合硅酸鹽，外附三塊1mm鋼板。

5）校驗(yàn)及基本參數(shù)的計(jì)算。運(yùn)用PROE的“分析-模型-全局干涉”功能分析三維模型中的干涉，并進(jìn)行尺寸修正，最終消除干涉。將完成后的三維模型放入機(jī)車限界中，并將蓄電池箱及風(fēng)缸的模擬模型放入相應(yīng)位置，查看并無(wú)超界及干涉現(xiàn)象，且預(yù)留有安裝空間。

按照定型后的油箱模型繪制實(shí)心模型并與之疊加，通過(guò)PROE的“分析-模型-質(zhì)量屬性”功能，分別計(jì)算疊加前后的體積，通過(guò)計(jì)算差值得出燃油箱的容積。用同樣的方法依次計(jì)算燃油箱各個(gè)油位容積，繪制出油位與燃油體積關(guān)系圖，并以此為訂制油位觀察器及液位儀刻度的依據(jù)。

圖4 油位與燃油體積關(guān)系圖

圖5

通過(guò)計(jì)算，燃油箱凈重2218.2kg，最大容積7059.32L，污油箱最大容積71.18L。設(shè)定燃油箱使用容積7000L，污油箱使用容積70L。

6）燃油箱的強(qiáng)度計(jì)算。燃油箱的強(qiáng)度計(jì)算是通過(guò)專用的有限元分析軟件進(jìn)行的。在計(jì)算中有箱體被制成一個(gè)空間板殼結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型共分成50651個(gè)點(diǎn)，50874個(gè)平殼單元。

燃油箱的作用載荷為燃油重量7000×0.85=5950kg，兩風(fēng)缸重量518.9kg。

計(jì)算分為垂直載荷工況，緊急制動(dòng)工況，蛇形運(yùn)動(dòng)工況。

a.垂直載荷工況

z向動(dòng)載數(shù)取kdz=1.5。

圖6 垂直載荷工況的應(yīng)力分析結(jié)果（風(fēng)缸座局部）

通過(guò)分析，最大應(yīng)力發(fā)生在風(fēng)缸座板與端板連接處頂部，δ=50.5MPa，同時(shí)此區(qū)域變形也是最大，W=5.202mm。

b.緊急制動(dòng)工況

z向動(dòng)載數(shù)取kdz=1.5

x向承載系數(shù)取kdx=1.5。

圖7 緊急制動(dòng)工況的應(yīng)力分析結(jié)果（風(fēng)缸座局部）

通過(guò)分析，燃油箱的最大縱向變形產(chǎn)生在端板中央，U=6.235mm，最大垂向變形產(chǎn)生在風(fēng)缸座板頂部，W=11.68mm。燃油箱的最大應(yīng)力發(fā)生在風(fēng)缸座板根部δmax=296.6MPa。燃油箱端板與縱隔板連接處的應(yīng)力δ=197.8MPa，燃油箱底板中央部位的應(yīng)力δ=66.0MPa。

c.蛇形運(yùn)動(dòng)工況

z向動(dòng)載數(shù)取kdz=1.5

y向動(dòng)載數(shù)取kdy=3。

圖8 蛇形運(yùn)動(dòng)工況的橫向變形分析結(jié)果

圖9 蛇形運(yùn)動(dòng)工況的垂向應(yīng)力分析結(jié)果

通過(guò)分析，燃油箱的最大橫向變形產(chǎn)生在主立板開(kāi)孔的垂向孔邊緣中央位置，V=8.057mm，最大垂向變形產(chǎn)生在風(fēng)缸座板頂部，W=5.836mm。燃油箱的最大應(yīng)力發(fā)生在風(fēng)缸座板根部δmax=221.9MPa。燃油箱主立板與橫隔板連接處的應(yīng)力δ=74.0MPa。

d.結(jié)論

通過(guò)對(duì)三中工況下的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)缸座板與端板連接處為薄弱環(huán)節(jié)?？紤]而實(shí)際使用時(shí)，風(fēng)缸被風(fēng)缸卡帶捆綁在卡帶座上并分擔(dān)風(fēng)缸總量，風(fēng)缸座板的實(shí)際受力和變形要比計(jì)算值小的多。而此種風(fēng)缸固定方式在量產(chǎn)機(jī)車中被大量采用且反饋意見(jiàn)良好。結(jié)合數(shù)據(jù)分析，燃油箱在各個(gè)工況的最變形及最應(yīng)力均在Q235A材料安全范圍之內(nèi)。顧得到結(jié)論為燃油箱的強(qiáng)度符合要求。

2.3 設(shè)計(jì)任務(wù)結(jié)束

在將設(shè)計(jì)方案報(bào)專家組評(píng)審并通過(guò)。

3 總結(jié)

此次設(shè)計(jì)的特殊性在于燃油箱不設(shè)置蓄電池箱，造成箱體結(jié)構(gòu)的不完整；燃油箱吊座與主立板位置不對(duì)正，造成了承載力的傳遞不連貫。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改良，解決了上述問(wèn)題。

此次設(shè)計(jì)引入了PROE三維輔助設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短了設(shè)計(jì)周期。此次設(shè)計(jì)引入了有限元分析，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了多次專家評(píng)審，即減少了設(shè)計(jì)彎路同時(shí)又提高了設(shè)計(jì)方案的可行性和可靠性，縮短了維護(hù)周期，降低了維護(hù)強(qiáng)度。此次設(shè)計(jì)過(guò)沖中充分考慮了現(xiàn)有設(shè)備、工裝及胎模具通用性，因此在燃油箱的制造過(guò)程中并未出現(xiàn)大的工藝性問(wèn)題。

圖10 CDN10型內(nèi)燃機(jī)車燃油箱（左）與DF4DD型內(nèi)燃機(jī)車燃油箱（右）對(duì)比

[1]PTC[J].鈑金件基礎(chǔ)PTC全球服務(wù),2000.

[2]金大鷹.機(jī)械制圖[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[3]TB778-74.機(jī)車車輛用管接頭技術(shù)條件[S].鐵道部,1975.

[4]TB/T2730-1996.內(nèi)燃機(jī)車車體技術(shù)條件[S].鐵道部,1996.

[5]TT047-87JT.燃油箱技術(shù)條件[S].大連機(jī)車車輛廠,1988.

[6]UIC505-1.機(jī)車運(yùn)行地區(qū)動(dòng)態(tài)限界[S].使用方提供.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.051