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        CDN10型內(nèi)燃機(jī)車燃油箱的設(shè)計(jì)

        2016-02-02 13:06:58
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年22期
        關(guān)鍵詞: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),使用國產(chǎn)16V240ZJD1型柴油機(jī),并由無刷勵(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??紤]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

        為了簡化設(shè)計(jì)過程,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,采取了以制造過程為設(shè)計(jì)過程的方法。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,且在箱體中部兩側(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,四角開圓形過氣孔,中間開過油孔并翻邊加固??v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)別位置加開過油和過氣孔。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)的端板上開油位觀察器過油孔。

        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,通過增加階梯面來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

        通過分析,燃油箱的最大橫向變形產(chǎn)生在主立板開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。

        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。通過對(duì)傳統(tǒng)油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改良,解決了上述問題。

        此次設(shè)計(jì)引入了PROE三維輔助設(shè)計(jì),簡化了設(shè)計(jì)過程,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程中并未出現(xiàn)大的工藝性問題。

        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

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