NY6240ZJA混合动力机车用柴油机机体的设计

张红学，赵华，胡胜经（四川中车玉柴发动机股份有限公司，资阳641301）

NY6240ZJA混合动力机车用柴油机机体的设计

张红学，赵华，胡胜经
（四川中车玉柴发动机股份有限公司，资阳641301）

围绕一种新型混合动力机车用柴油机机体的设计，采用新的设计观点和方法对柴油机机体进行了多方案对比、分析和计算，实现了对机体刚度和强度的优化设计，并根据优化方案试制了一台机体进行装机试验，进一步验证机体设计的可靠性和合理性。

机体强度刚度可靠性

1 前言

NY6240ZJA型机车柴油机是我公司在成功开发NY12V240ZJA的基础上，与中车资阳机车有限公司合作开发的低消耗、低排放、高可靠性的新一代节能环保型机车柴油机，用于中车资阳机车有限公司研制的2 000～2 500 kW混合动力机车之上。设计中继承和揉合了公司成熟产品16V240ZJB柴油机、16V280ZJ柴油机、6240ZJ柴油机的设计优点和经验，同时为满足NY6240ZJA柴油机性能的要求，在设计过程中引用了新的设计理念和方法。

2 机体的设计目标

机体作为柴油机的主体骨架，是其它零部件的安装基础，其结构设计和力学性能的好坏对柴油机可靠性、耐久性影响极大。由于该柴油机的强化程度较高，因此在整个柴油机设计中，对机体设计给予了极大的关注。该柴油机的技术参数见表1[1]。

根据NY6240ZJA柴油机总体设计规划，在6240ZJ型柴油机的基础上，该型柴油机的功率由900 kW提高到1 250 kW，最高爆发压力由14MPa提高到16MPa。在总体布置方面，该柴油机仍沿用了原6240ZJ型柴油机的许多结构参数，并考虑到机车装用条件和生产工艺及加工设备等客观因素，总体设计时要求机体很多结构参数，如长宽高、错缸距、缸心距、裙深以及曲轴和凸轮轴的安装布置方式等均要与6240ZJ型柴油机相同，并且整个做功单元采用NY12V240ZJA结构，高温水道为机体内置式。为了满足NY6240ZJA柴油机总体设计要求，设计目标实际上就是重新计算、分析和设计一台新的6缸直列式柴油机。

表1 NY6240ZJA柴油机主要技术参数

3 机体设计方案

由于机体的结构形式和受力非常复杂，其结构设计和力学性能的好坏对柴油机可靠性、耐久性影响极大。因此该柴油机机体仍采用高强度球墨铸铁QT500-7，并且采用整体铸造方式来保证各种复杂型腔的形成，以便为柴油机的油、水的流量提供较好的分配。为了加强对铸件质量的控制，试棒采用附铸采样的方式，采样位置在主轴螺栓孔和气缸螺栓孔附近。

该型柴油机机体的外形、结构和布置与6240ZJ型柴油机基本相同，见图1。其横截面近似为四边形，基本结构仍为直列式。曲轴孔位于机体的中部，气缸孔布置在机体的中部与曲轴孔垂直，凸轮轴孔和主油道仍位于机体左上侧[1]。

图1 NY6240ZJA柴油机机体外形图

NY6240ZJA柴油机功率的提高对机体作用力加大，使机体的内应力增加和变形加剧。从改善机体力学性能的角度考虑，须增大NY6240ZJA柴油机机体纵向和横向的刚度。因为在柴油机工作时应保证机体各主轴承孔间的最大相对变形不得超过0.09mm，任意相邻两轴承孔间的相对变形不得超过0.06mm。在设计中难度最大的就是解决主轴承孔处的变形量及各轴承档曲轴孔变形超差的问题，另外，改善气缸孔、主轴承螺栓孔和气缸螺栓孔处应力较高也是一个较大的问题。通过不同的方案比较和优化最终得以处理好这一难点。

NY6240ZJA柴油机机体吸取了国外同类柴油机机体设计的先进经验，收集了国内外同类型柴油机机体的主要尺寸作为参考，见表2。

表2 国内外同类型柴油机机体的主要尺寸比较

通过多种结构方案的分析计算后，最终确定了机体的横截面形状，见图2。同时对机体部分结构尺寸从以下几方面进行了优化设计，来增加机体的刚度和强度。

图2 NY6240ZJA柴油机机体横截面

（1）提高机体顶面高和裙深来提高机体整体的抗弯、抗扭刚度。在机体设计中，裙深与行程的比值增大，机体整体的抗弯、抗扭刚度就增大。机车用中速柴油机的这个比值范围为1.2～1.6之间[2]。NY6240ZJA机体的这个比值1.636已经达到要求范围的上限值。为了不影响机体整体的抗弯、抗扭刚度，将机体两侧面厚度增加5mm，机体底板厚度增加8mm，气缸孔之间的隔板增加5mm。

（2）合理地布置加强筋和隔板在机体设计中占据着重要位置。气缸的爆发压力在柴油机内传递和平衡，均在加强筋、隔板和螺栓搭子内传递。因此把机体的加强筋尽可能沿气缸盖螺栓搭子到主轴承螺栓搭子的连线或接近连线布置，主轴孔附近左右两边各增加一条加强筋。

（3）为了增加主轴孔及主轴螺栓孔附近这些强载荷区域内的抗弯、抗扭刚度，该机体在设计中间立板时，以斜面加强、圆角相连的设计原则，采用20°斜角，从主轴承座往上伸张，见图3。

图3 机体中间立板

（4）机体在凸轮轴孔和主油道中间设计一条壁厚20mm的高温水道。水道采用与机体整体铸造相同的方式镶入在机体中，见图4。一方面高温水道可以看做机体的加强筋板，增加了机体的抗拉强度和刚度，另一方面，高温冷却水道的重新布置避免了原6L240柴油机冷却水管侧面布置存在的几个问题：①管路振动，②管路连接处泄漏，③管子裂损，④拆卸困难。如该机体用于原6L240柴油机时，只需在机体左侧每档加工一个Φ70mm的孔，将缸孔进水支道与侧面贯通即可（Φ70mm孔用于安装外置的高温进水支管）。

（5）将进入各气缸孔的高温分水道布置在与气缸孔母线相切的位置，目的是降低高温水对气缸套的穴蚀，提高气缸套的冷却效果[2]。

4 机体的计算分析

通过建立三维实体模型，采用ANSYS软件对机体的强度、刚度进行有限元计算和比较，模拟各种工况下机体的应力峰值大小、位置、方向和机体内部变形大小、位置、方向，全面评估机体的危险区域和力学性能对机体的影响。

该柴油机机体的结构形状、受力特征和变形状态均十分复杂，为了减少计算量且保证计算精度，在分析机体的刚度及机体各气缸部位的强度时，将机体和轴承盖作为整体分析，不考虑机体、轴承盖、预紧螺栓之间的接触问题。

图4 高温水道截面图

（1）机体的应力分析

通过施加外载荷力（各缸气体作用力、活塞侧压力、各主轴承孔作用载荷、主轴承螺栓预紧力、横拉螺栓预紧力和气缸盖螺栓预紧力），计算出柴油机的最大功率时，机体上最大应力区域在机体的第6缸的各气缸螺栓孔区域以及机体第7档立板主轴孔附近，见图5。机体最大应力主要是由螺栓预紧力引起的。机体材料的强度极限为520MPa，通过计算，机体的第1主应力最大值为210MPa，等效应力最大值为230MPa，机体有足够的静强度。

图5 机体第7档应力图

（2）机体的变形

在柴油机最大功率工况下，机体变形主要由工作载荷引起的横向变形。机体各主轴孔孔心的绝对变形量最大值均小于0.08mm，该机体主轴孔位的变形情况满足设计要求，已接近设计规范限制，相邻两主轴孔孔心的最大相对变形均小于0.06mm，能保证柴油机各种运动副的良好工作。

（3）机体的疲劳强度分析

由于疲劳强度设计目前无成熟的校核公式，故采用Goodman疲劳极限图和常规疲劳计算相结合来考核机体的疲劳安全性，如图6所示。图中B点坐标为某点应力的平均应力和应力幅，疲劳安全系数n越A2／A1，这样得到安全系数的计算公式为

在柴油机最大功率时，计算出发火缸相邻主轴承立板表面区域（第1档、第2档、第6档和第7档立板）最大应力点处疲劳安全系数值均处于安全区内，表明该机体有较好的疲劳强度。

图6 Goodman疲劳极限图

5 机体强力螺栓设计

机体的强力螺栓包括主轴承螺栓，气缸盖螺栓和横拉螺栓，其作用是保证主轴承盖以及气缸盖与机体、气缸套在各种工况下的可靠性连接，确保柴油机的良好运行。NY6240ZJA柴油机采用了6240ZJ柴油机的主轴螺栓和横拉螺栓，位置和布置方式以及拧紧力矩等都与6240ZJ柴油机相同，这里不再做介绍。但受到柴油机爆发压力的增加，以及柴油机吊装需要，对气缸盖螺栓进行了重新设计。气缸盖螺栓仍然采用M36×2，材料为42CrMo，长度比6240ZJ柴油机的增加了100mm，因此需要对其进行校核计算。气缸螺栓一般按以下公式计算[3～4]：

（1）每个气缸螺栓的轴向载荷Fz

式中，

D——气缸内径，mm；

p——最大爆发压力，MPa；

Z——每个气缸螺栓数量。

（2）螺栓旋紧时所需的预紧力Fp

式中，

λ——螺栓连接的相对刚度；

K——预紧系数。

（3）螺栓的计算载荷Q

（4）当螺栓旋紧时，由于螺栓与螺母间的摩擦使螺栓所受得扭矩M1

式中，

α——螺纹导角；

β——摩擦角。

（5）螺栓的强度校核

螺栓材料是否屈服，应满足：Q/s＜σ/n。s—螺栓的最小截面积，σ—材料的屈服极限，n—安全系数。

（6）螺栓拉伸量ΔL

式中，

δ——气缸螺栓的柔度。

计算结果表明，螺栓安全性能满足设计要求，只是螺栓最大强度值已经接近屈服极限，当螺栓预紧力为353 kN时，螺栓的拉伸量约为0.78mm。为了进一步验证，进行了气缸螺栓拉伸试验。试验结果表明，在0.78mm的螺栓拉伸量条件下，螺栓未发生屈服变形。下一步将借鉴国外强力螺栓的设计经验，以提高螺栓的安全性。

6 结束语

根据多个方案的计算分析和综合考虑各种因数的影响，最终确定了该型柴油机机体设计方案。现已试制了一台样机，目前正在随机车进行路线运用考核。下一步准备通过检测机体的变形来进一步完善前期的设计工作和验证计算结果，为该型柴油机的总体性能提高提供可靠的基础。

[1]四川中车玉柴发动机股份有限公司.NY6240ZJA柴油机维护使用手册，2015

[2]史绍熙.柴油机设计手册[M].北京：中国农业机械出版社，1984.

[3]闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4]谢联先.16240Z柴油机主轴螺栓及气缸螺栓的计算。大连机车车辆工厂，1957.

Design ofNY6240ZJADieselEngine's Block for Hybrid Locomotive

Zhang Hongxue,Zhao Hua,Hu Shengjing
（Sichuan Engine Co.,Ltd.,Ziyang641301,China）

This paper revolvesaround a new type ofhybrid locomotive dieselengine block design,new design ideasandmethodson the engine block scheme comparison,analysisand calculation,the optimization of the stiffnessand strength of the engine block design,and according to the optimization scheme developed aengineblock of installed test,futuher to verify the reliability and rationality of theengineblock design.

engine block,strength,stiffness,reliability

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.001

来稿日期：2017-01-06

张红学（1976-），男，高级工程师，主要研究方向为柴油机结构设计。