姚召華 張少元 史秋萍

摘 要：介紹了內(nèi)燃機車冷卻裝置設(shè)計概述，詳細敘述了安裝于某新型內(nèi)燃機車上冷卻裝置的設(shè)計與分析過程。設(shè)計過程基于CREO2.0環(huán)境下的TOP-DOWN設(shè)計理念，有利于進行全局控制，提高了設(shè)計中信息傳遞的準(zhǔn)確性，通過不斷完善的骨架模型自頂向下建立了整個冷卻裝置的數(shù)字化三維模型。在冷卻裝置的結(jié)構(gòu)模型確定后，通過ANSYS workbench 14.0軟件對冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu)進行了多種工況下的強度分析，驗證了該新型冷卻裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機車;冷卻裝置;TOP-DOWN;結(jié)構(gòu)設(shè)計;強度分析

1. 內(nèi)燃機車冷卻裝置設(shè)計概述

內(nèi)燃機車冷卻裝置是散熱器、冷卻風(fēng)扇等冷卻部件的模塊化集成載體，主要為機車柴油機的冷卻水提供通風(fēng)冷卻，是內(nèi)燃機車重要的組成部分。冷卻裝置設(shè)計的合理性和可靠性將直接影響機車的使用性能。我國內(nèi)燃機車冷卻裝置的設(shè)計結(jié)構(gòu)，根據(jù)機車總體布置及柴油機冷卻要求，主要有V型或H型吸風(fēng)式冷卻裝置以及頂置排風(fēng)式冷卻裝置[1]。

本文設(shè)計的冷卻裝置，采用內(nèi)走廊機車傳統(tǒng)的兩側(cè)壁支撐結(jié)構(gòu)，保證機車走廊處行走空間符合人機工程，同時滿足防雨性要求[2]。為滿足機車總體牽引電機集中通風(fēng)要求，冷卻裝置采用大塊頂置式雙流道銅散熱器和外轉(zhuǎn)子風(fēng)扇電機組組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)型式能夠最大限度的節(jié)約機車內(nèi)部高度空間以便于集中通風(fēng)風(fēng)機的安裝。散熱器和冷卻風(fēng)扇的具體性能參數(shù)匹配，需根據(jù)柴油機的熱負荷指標(biāo)進行詳細的冷卻計算而得，風(fēng)扇和散熱器之間的間距則根據(jù)排風(fēng)式冷卻裝置的一般要求而定。因而冷卻裝置的安裝布局形式如圖1所示，采用兩臺直徑均為1600mm、功率75kW的冷卻風(fēng)扇;在風(fēng)扇上方呈八字形布置兩大塊雙流道銅散熱器，整個冷卻裝置通過模塊化安裝于機車車體側(cè)壁上[3]。此外，為滿足機車軸重設(shè)計要求，冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu)采用輕量化設(shè)計并通過有限元計算驗證結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖1? 某型內(nèi)燃機車冷卻裝置的安裝布局形式

1-機車限界;2-大塊散熱器;3-走廊地板;4-冷卻風(fēng)扇電機組;5-冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu);6-門;7-通風(fēng)機;8-機車側(cè)壁;9-機車車架;

2. 冷卻裝置的自頂向下結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 TOP-DOWN設(shè)計概述

傳統(tǒng)的三維設(shè)計一般指通過對單個零部件的設(shè)計建模，然后實現(xiàn)對組件甚至整個產(chǎn)品的裝配建模，是一種BOTTOM-UP自底向上的設(shè)計方法。這種設(shè)計方法零部件之間的裝配關(guān)系沒有完整的描述，產(chǎn)品的全局性控制較差，且各零部件相對獨立，設(shè)計意圖傳達不暢，一旦出錯設(shè)計變更工作量較大。

TOP-DOWN自頂向下設(shè)計是從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的高層向所有受影響的底層子系統(tǒng)傳遞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵信息的一種方法;同時也是在整個設(shè)計過程中對相關(guān)性及變更傳遞的一種控制管理工具。采用TOP-DOWN設(shè)計可以完全控制和分發(fā)設(shè)計意圖，防止不正確的參考關(guān)系建立，從而便于更好的管理和組織設(shè)計意圖。此外，TOP-DOWN設(shè)計能夠更容易精確地測試設(shè)計變型，設(shè)計靈活性較強;能夠確保公用設(shè)計和信息的一致性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計變更的快速傳播，節(jié)約變更的時間、資金和資源。

TOP-DOWN設(shè)計工具主要包括布局、骨架模型、發(fā)布和復(fù)制幾何等。根據(jù)設(shè)計需要運用相應(yīng)工具，通過給定的設(shè)計約束條件和設(shè)計參數(shù)等信息，便可自頂向下的并行開展機車冷卻裝置的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計。

a） 自底向上設(shè)計方法

b） 自頂向下設(shè)計方法

圖2? 兩種不同設(shè)計方法

2.2內(nèi)燃機車冷卻裝置的TOP-DOWN結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的冷卻裝置主要包括散熱器、冷卻風(fēng)扇電機組以及冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu)等，其總體布局見圖1所示。根據(jù)冷卻裝置的布局結(jié)構(gòu)，建立其骨架模型是冷卻裝置TOP-DOWN設(shè)計的核心。骨架模型的作用是通過點、線、面等信息把設(shè)計方案在三維中表達清楚，傳遞設(shè)計信息。當(dāng)骨架發(fā)生變化時，與之相關(guān)聯(lián)的實體模型也將發(fā)生變化，從而控制外部引用的自動快速更新。

在進行冷卻裝置的骨架模型建立時，首先需從機車總體發(fā)布的設(shè)計條件中復(fù)制冷卻裝置設(shè)計所需要的輸入條件，包括機車車體輪廓、冷卻裝置定位坐標(biāo)等;然后逐步建立冷卻裝置內(nèi)部各主要結(jié)構(gòu)的骨架模型;最后采用發(fā)布幾何的方式把相關(guān)信息發(fā)布至其下級設(shè)計或其它并行設(shè)計結(jié)構(gòu)中去，如：將冷卻裝置骨架的下部結(jié)構(gòu)采用發(fā)布幾何工具傳遞至其下級風(fēng)扇支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將散熱器進出水接口發(fā)布至與其并行設(shè)計的冷卻水系統(tǒng)管路設(shè)計中。同時對于冷卻裝置下級結(jié)構(gòu)或者其它并行設(shè)計結(jié)構(gòu)，在復(fù)制冷卻裝置發(fā)布的幾何信息后，仍需逐級完善其骨架模型，直至將結(jié)構(gòu)信息傳遞至可以直接建模的零件。此外，對于外購部件，一般直接將其定位坐標(biāo)在骨架中給出，冷卻裝置組裝時將外購部件以模塊化型式直接安裝。從而實現(xiàn)了對整個冷卻裝置結(jié)構(gòu)的全局控制，其詳細骨架模型如圖3所示。

圖3 冷卻裝置骨架模型

整個冷卻裝置的設(shè)計是圍繞骨架設(shè)計進行的，總骨架的搭建不可能一步到位，在分系統(tǒng)下級部件設(shè)計中隨時需要對模型的結(jié)構(gòu)進行變更管理，通過復(fù)制（發(fā)布）幾何來交換信息，不斷完善總骨架模型。由此，通過TOP-DOWN設(shè)計方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要選用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)材料，對各零部件進行詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終完成基于CREO2.0軟件環(huán)境下的冷卻裝置數(shù)字化三維模型，如圖4所示。

圖4 冷卻裝置數(shù)字化三維模型

3. 基于ANSYS Workbench的結(jié)構(gòu)分析

為了驗證冷卻裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)的可靠性，在完成冷卻裝置的數(shù)字化三維模型建立后，進行了基于ANSYS Workbench軟件環(huán)境下的冷卻裝置結(jié)構(gòu)強度分析。

將CREO2.0軟件建立的數(shù)字化三維模型進行結(jié)構(gòu)簡化，通過集成在CREO中的ANSYS接口工具輸入到ANSYS 14.0 中。將散熱器和風(fēng)扇電機組重量載荷通過幾何質(zhì)心點的方式加載至冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu)上，如圖5所示。對冷卻裝置鋼結(jié)構(gòu)進行抽取中面、定義接觸等模型處理，并選用殼單元對模型進行有限元網(wǎng)絡(luò)劃分，共劃分了167175 個單元，358423 個節(jié)點。坐標(biāo)系選用全局坐標(biāo)系，X、Y、Z 分別為縱向、垂向、橫向[4]。

圖5 冷卻裝置有限元簡化模型

其次，對該有限元模型進行材料屬性的定義，鋼結(jié)構(gòu)材料選用Q345，其機械性能見表1。

表1 材料屬性

序號

屬性

值

1

密度 [kg/mm3]

7.85e-6

2

彈性模量[MPa]

2.1e+5

3

泊松比

0.3

4

屈服強度[MPa]

345

在對冷卻裝置進行分析時，主要將其分為起吊工況和沖擊載荷工況，各工況載荷及邊界條件見表2。

表2 冷卻裝置工況載荷及邊界條件

序號

工況

慣性及重量載荷

風(fēng)扇扭矩載荷N·m

邊界條件

分析類型

驗證準(zhǔn)則

1

起吊

FZ =g

無

兩側(cè)起吊位置位移約束

線性靜態(tài)

許用應(yīng)力

2

縱向沖擊

FX =4g

M=1752

兩側(cè)安裝座螺栓孔位移約束

3

橫向沖擊

FZ =2g

M=1752

兩側(cè)安裝座螺栓孔位移約束

4

垂向沖擊

FZ =2g

M=1752

兩側(cè)安裝座螺栓孔位移約束

通過ANSYS Workbench有限元計算可得各工況下，冷卻裝置結(jié)構(gòu)的詳細應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。

a）起吊工況

b）縱向沖擊載荷工況

c）橫向沖擊載荷工況

d）垂向沖擊載荷工況

圖6 冷卻裝置各工況應(yīng)力分布云圖

各工況下應(yīng)力計算結(jié)果詳見表3。

表3 冷卻裝置各工況結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果

序號

工況

最大應(yīng)力值（MPa）

最大應(yīng)力位置

許用應(yīng)力（MPa）

1

起吊

100.44

在中部斜撐底部

345

2

沖擊載荷-縱向

336.7

在中間立板與管道連接處

345

3

沖擊載荷-橫向

72.125

在底部斜撐圓孔附近

345

4

沖擊載荷-垂向

287.95MPa

在安裝座螺栓孔附近

345

由計算結(jié)果可知，該冷卻裝置在起吊工況、橫向載荷工況、垂向載荷工況下均滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中所描述的要求。而縱向載荷工況下應(yīng)力較大，接近材料許用應(yīng)力，因而需做相應(yīng)結(jié)構(gòu)改進。經(jīng)過分析，將中間立板的厚度由7mm 改為10mm，其最大應(yīng)力值為296.22MPa，出現(xiàn)在底部斜撐邊緣，如圖7所示，滿足設(shè)計要求。此外，通過ANSYS Workbench軟件也可以方便的查看各工況下結(jié)構(gòu)的變形情況，經(jīng)確認也能均滿足設(shè)計要求。

圖7 結(jié)構(gòu)改進后縱向載荷工況應(yīng)力分布云圖

4. 總結(jié)

本文設(shè)計的某新型內(nèi)燃機車冷卻裝置，采用了全數(shù)字化設(shè)計手段，通過計算機三維設(shè)計與仿真分析軟件的有效結(jié)合，完成了的冷卻裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。設(shè)計中采用TOP-DOWN設(shè)計方法，保證了冷卻裝置設(shè)計過程中能夠?qū)ζ鋬?nèi)外部接口和設(shè)計變更的傳遞進行準(zhǔn)確而有效的全局性控制。本文通過ANSYS Workbench軟件分析了冷卻裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布情況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計結(jié)構(gòu)中的強度薄弱環(huán)節(jié)，并采取有效措施進行改進，保證了冷卻裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)強度的可靠性。

參考文獻：

[1]戴繁榮. 內(nèi)燃機車冷卻裝置[M]. 北京：中國鐵道出版社，1993

[2]戚墅堰機車車輛廠. 東風(fēng)11型內(nèi)燃機車[M]. 北京：中國鐵道出版社，1997

[3]張少元. DF8CJ型交流傳動內(nèi)燃機車干式冷卻系統(tǒng)研制[J].鐵道機車車輛，2005，25（12）：43-47

[4]浦廣益. ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實例詳解[M]. 北京：中國水利水電出版社，2013