一种内燃机车车架设计

屈 洪 费龙仁 许 齐 邢莹莹

(中车戚墅堰机车有限公司 江苏 常州 213011)

0 概述

该型内燃机车是中车戚墅堰机车有限公司自主研发的4400马力交流传动干线货运机车，机车采用双司机室内走廊整体承载结构，主要由车架、侧壁、间壁、车顶等组焊而成。车架作为整个机车的主要承载部件，其结构强度等将直接影响机车的性能及运行安全。因此车架必须要有足够的强度与刚度，同时根据机车总体情况又要减轻自身的质量，能够满足机车在各种工况下的安全运行，并适应重载牵引的要求。车架采用双侧梁及承载式燃油箱结构，各部件模块组焊而成。

1 车架结构及技术参数

车架设计时，吸收了160 km/h客运内燃机车的设计经验，并融入了经典东风车型的设计元素。整车承载满足压缩3 000 kN、拉伸2 500 kN的载荷要求。车钩采用102型车钩，选用NC-390型缓冲器，油箱可用燃油为9 000 L。车架材料主要为Q420E、Q460E等低合金高强度钢。车架主要由前后端部、侧梁、旁承梁、承载式燃油箱、风道梁、车架附件等部件组焊而成(见图1)。

图1 车架三维总图

车架的主要结构参数如下：车架总长,22 500 mm；车架总宽，3 100 mm；车钩中心线距轨面距离，(880±10)mm；两车钩中心线间距离，22 900 mm；两外旁承中心间距，15 230 mm；车架上平面距轨面距离，1 630 mm。

2 车架主要部件结构设计

车架采用模块化设计，根据总体要求及接口尺寸，确定各主要梁，设置独立的结构模块，由结构模块组焊成大部件，最后再组焊成车架。下面详细介绍主要大部件的结构。

2.1 车架端部

车架端部主要承担机车运行中车钩力的传递，起到司机的正面、侧面防撞功能以及防止机车爬车的防爬功能。根据这些功能，并考虑模块制作的便捷性，确立了端部结构由车钩尾框、斜撑、防撞墙、角柱、防爬器、端部左右侧梁、支撑梁等部件组焊而成。其中，车钩尾框、斜撑主要用于传递机车运行中的车钩力，防撞墙、角柱、防爬器主要用于机车司机室正面侧面的防撞保护，支撑梁用于排障器的支撑。车架端部分车架前、后端部，两个端部结构基本一致(见图2)。

图2 车架端部三维图

车钩尾框借鉴HXN5B型机车的结构，主要由立板、前后从板座等组成，前后从板座焊接在车钩尾框的立板上，车钩尾框立板焊接在斜撑底板上。

斜撑采用箱型梁结构，主要由上盖板、立板、下盖板组成。组成斜撑的各主要板参考HXN5K型客运机车车架的板厚，再综合货运大载荷的因素，经过几次优化计算，最终确定上、下盖板板厚分别为8 mm、25 mm，立板板厚为12 mm。并且左右斜撑共用下盖板，考虑轻量化与强度双重因素，将下盖板分成前后两部分，传递牵引力的部分板厚为25 mm，在靠近机车前端部分板厚减为8 mm。斜撑采用箱型梁结构，比传统工字型结构传力更大，更稳固、可靠，通过斜撑结构的优化设计，可在轻量化的基础上，将车钩力有效传递至车架及车体。

防撞墙与角柱均由横竖筋板加盖板拼焊而成，与以往结构相比，进行了轻量化设计，竖筋为主要承载件，板厚保持为10 mm。将内外盖板板厚由初始的8 mm优化为3 mm，横筋由6～8 mm优化为5 mm。防撞墙与角柱组合成机车端部的一堵“墙”，有效保护司乘人员的安全。

支撑梁是为了满足排障器工况在端部立板内侧增加的小梁，由C型折弯件、钢管、垫板组成，垫板主要用于承载、均化钢管末端的应力。

2.2 车架侧梁装配

侧梁分为左、右侧梁，分别由侧板、腹板等组成(见图3)，侧梁是车架的主要梁，与车架各横向梁组成为车架的骨架，用于承载机车柴油机、电气柜等各设备，与侧壁、司机室连接组成车体的主要部分，侧梁在车体结构中，主要传递机车的纵向力。

图3 车架侧梁装配三维图

侧梁整体结构为箱型结构，长度为18 080 mm。结合承载燃油箱的连接，侧梁也进行了轻量化设计，将侧板板厚由传统的10 mm减小到8 mm，使得两侧边梁总质量下降250 kg，减重超过10%。

2.3 承载式燃油箱

车架的油箱采用承载式燃油箱结构，其主要结构由后柴油机梁、油箱端部梁、副油箱、侧油箱、蓄电池箱、加油口装配、辅助系统装配、盖板装配等主要结构组成(见图4)。承载式燃油箱两侧与侧梁连接，是柴油主发电机的主要承载体，可用燃油9 000 L。

图4 承载式燃油箱三维图

承载式燃油箱顶面设有燃油吸油口、回油口，底部设有污油排放口、检修口，端面设有观察孔，侧面设有蓄电池安装空间及液位仪安装接口、加油口等。

对承载式燃油箱结构进行轻量化设计，油箱内部各主要梁、板主要由中薄板组成，各板均设有减轻孔，宽大的减轻孔进行翻边增加稳定性，油箱端部梁的立板开有3个大方孔再用薄板封补。

2.4 旁承梁装配

旁承梁采用内、外分体板梁式结构，由内旁承梁与外旁承梁组成，如图5、图6所示。设计时融入了经典车型的旁承梁结构，同时又进行了优化。

图5 外旁承梁正面视图 图6 外旁承梁反面视图

本车架转向架风道及风道出口均定位在旁承梁上，将旁承梁完全断开，按照传统方式设计旁承梁，将相应加宽，增加断开处的刚度与强度，这样必定增加其质量，旁承梁又与斜撑、侧梁三角连接，因此经过数次方案，引入节板的连接思路，采用长大节板，将旁承梁、斜撑通过节板与侧梁连接，将斜撑与旁承梁的载荷传递至侧梁，均化了连接部应力，也可以减少旁承梁的宽度，达到旁承梁减重。具体结构如图7所示，由于斜撑在司机室下方，车架在司机室处低于其他地方30 mm，因此上节板做成一定坡度的台阶式形状，台阶的一侧与外旁承、边梁的上平面连接平齐，另一侧与斜撑上平面等高。下节板为平面形状，与斜撑、外旁承等高连接后，与侧梁连接，下平面利于纵向力的传递和应力的均化[1]。

图7 节板结构连接图

3 基于车架的车体仿真计算与试验验证

3.1 仿真计算

该型内燃机车采用双司机室内走廊结构，主要以车架为基础，与侧壁、间壁、车顶等组焊而成，共同承受垂向、纵向、扭转、冲击、防爬等载荷。因此，需要以整个车体结构为对象进行仿真计算，使车架的计算结果更贴近实际情况。

车体强度计算主要依据标准TB 2541—2010《机车车体静强度实验规范》[2]，防撞主要依据标准TJ/JW-102—2017《交流传动机车司机室防撞性暂行技术规范》进行，一共计算了12种不同工况下的应力分布来验证机车车架的强度。通过有限元分析，各工况下应力分布如表1所示。

表1 各工况下应力分布表 /MPa

据TB 2541—2010标准，最大应力发生在纵向压缩载荷3 000 kN时，车架端部斜撑下盖板与车钩尾框装配的端立板相交处出现的最大应力值为422.2 MPa，小于材料的许用应力值440 MPa，其应力分布图如图8所示。其他工况下车体车架的应力值均小于许用应力值，通过计算表明，车架静强度满足设计要求。

根据TJ/JW-102—2017标准，最大应力发生在防撞墙中部载荷900 kN时，中部防撞墙的内侧立板下端开孔处出现的最大应力值为488.7 MPa，小于材料的许用应力值520 MPa，其应力分布图如图9所示。其他工况下车体车架的应力值均小于许用应力值，通过计算表明，车架端部满足防撞、防爬要求。

图8 车架压缩载荷应力分布图

图9 防撞墙中部载荷应力分布图

3.2 试验验证

根据4400马力货运内燃机车车体静强度试验大纲和现场试验条件，完成了该型机车车体的强度试验(见图10、图11)。试验结果显示，车架应力集中趋势与仿真计算结果基本相符，所有测点的应力值均小于材料的许用应力，因此试验结果表明车架强度满足设计要求。

图10 车体静强度试验图 图11 车体防撞试验图

4 结束语

该型机车车架设计时，吸收总结了国内外内燃机车成熟技术及设计、运用经验，采用双侧梁、承载式燃油箱、端部箱型结构斜撑、节板连接、防撞、防爬等结构，充分利用仿真分析计算，优化结构、提高强度和刚度，满足了设计要求，为后续设计积累了参考经验。