內燃機車車體技術研究

郭充 王僉 王淑榮 柴學彬

摘要：簡要介紹了內燃機車的結構組成及特點。重點介紹彈性司機室的結構分析及輕量化車體的設計。

關鍵詞：輕量化車體;隔離減振;振動模態

0 ?引言

我國現階段鐵路干線運輸以大功率電力機車重載牽引為主，內燃機車是支線牽引的重要補充。隨著內燃機車車體技術的發展，內燃機車車體設計也有了較大變化，車體的輕量化設計和車體的振動模態分析也是目前內燃機車車體設計常遇的問題。

1 ?車體結構設計概述

內燃機車車體一般主要由底架、司機室、側墻、隔墻、頂棚及燃油箱幾大部分組成。由于機車具體要求不同，機車司機室主要分為剛性連接和彈性連接兩種形式，而燃油箱也主要分為吊掛式燃油箱和與底架一體的整體式燃油箱兩種形式。

2 ?國內外機車隔振結構現狀

內燃機車的隔振形式主要有兩種：一種是主動隔振，即司機室剛性安裝在底架上，在柴油發電機組與車體底架之間安裝彈性支撐降低振動的傳遞;另一種是被動隔振，即將柴油發電機組剛性安裝在車體底架上，通過在司機室與底架之間布置減振器，以降低司機室的振動。由于國內常用機車主動隔振形式，這種形式下的車體結構設計已經基本完善和定型，本文不再研討，現通過連廠幾種被動隔振形式的機車對內燃機車車體設計主要問題進行研究分析。

3 ?司機室設計

與國內常用的機車司機室剛性連接方式不同，大連公司近幾年生產的HXN3型機車、HXN3B型機車以及FXN3機車由于柴油發電機組與底架剛性連接，所以司機室均采用了具有隔離減振功能的彈性連接方式。

3.1 彈性司機室減振元件及安裝方案

彈性司機室均采用樞軸支撐隔振系統：兩個橡膠軸承減振器安裝在司機室后部，減振器水平橫向放置，較低的轉軸剛度使司機室及隔振系統具有較低的“點頭”模態頻率;兩個彈簧垂直放置于司機室前端的兩角，彈簧主要用于控制“點頭”模態的頻率;兩個阻尼器與彈簧平行布置，用于減少軌道不平引起的低頻振動;司機室前端與車體間布置兩個橫向連桿，連桿限制了司機室的橫向運動，可以控制司機室的搖頭模態。通過司機室模態計算可以確定各減振元件的型號和參數。司機室減振元件布置見圖1。

3.2 司機室隔振性能分析

對于被動隔振形式的內燃機車，其司機室需要隔離兩個振源產生的振動：柴油發電機組產生的高頻激擾以及軌道不平順所引起的低頻激擾，當激擾頻率接近司機室的自振頻率時，司機室就會產生共振。

根據司機室幾何參數與安裝元件參數建立司機室的動力學模型，并對該模型進行線性系統分析，通過分析結構在正弦激勵下的頻率響應函數，判斷結構是否能夠滿足隔振需要，對兩種需要隔離的振動情況進行分析，通過研究彈性元件安裝參數對隔振性能的影響，最終確定司機室減振元件的最后參數特征。（圖 2）

4 ?車體輕量化設計

4.1 國內外車體輕量化設計的研究

機車車體的輕量化設計是指通過多種設計手段，最終實現在滿足設計要求的前提下減輕車體重量的目的。目前，我公司采取的是傳統方法與現代優化設計相結合的設計方法。

傳統的輕量化設計是設計者首先憑借經驗，構思車體結構設計方案，提出方案模型，然后進行強度、剛度校核，直到滿足設計要求?，F代優化設計是根據給定的設計要求和現有的技術條件，應用專業理論和優化方法，在電子計算機上滿足給定的設計要求的許多可行方案中，按照給定的指標自動地選出最優的設計方案。

我國過去的機車車體絕大部分只做了強度分析工作，尚未全面進行優化分析工作，少數進行輕量化設計的機車也主要是從經驗出發，依靠有限元強度分析結果和多年來從事機車設計工作的經驗優化機車車體的局部結構，以此來減輕車體的重量，相信隨著車體輕量化設計要求的增多，國內很快會形成一個完善的車體輕量化計算體系。

除了車體結構優化設計以外，選用高強度材料及非承載件使用輕型材料也是我們現在車體輕量化設計所采取的常用手段。

4.2 車體模態分析與研究

對于采用減振結構彈性司機室的車體而言，需要將司機室減振元件與機車車體振動情況進行綜合分析研究。以HXN3B機車為例，在其車體結構振動模態及與設備諧振關系研究計算中，不僅對車體進行了整體模態分析，還對包括司機室在內（重點）的車上各機械間分別進行了振動分析，關于該車的模態和諧振分析簡單介紹如下：

為保證車體結構在運行中具有良好的振動特性，根據所設計的車體結構、所用材料以及設備布置，建立車體結構計算力學模型，對車體結構通過采用通用有限元程序ANSYS軟件進行了整體模態分析、司機室橡膠關節剛度的優化以及司機室諧振分析。

計算結果表明：當司機室橡膠關節靜剛度取徑向19.2（kN/mm），軸向49.5（kN/mm）時，在柴油機1000r/min工作狀態下，司機室座椅處振幅最小。優化了橡膠關節后的司機室在柴油機工作狀態下較好的避開了其工作頻率1/2的倍頻。

在計算模型的建立中，充分考慮了車體各部分連接的真實情況。車體結構的薄板采用殼單元進行離散，厚板和鑄件采用體單元進行離散。所有計算分析均在有限元通用商業軟件ANSYS上完成。

下表為整備狀態下車體底架出現的較為明顯的固有振動模態。

下表為整備狀態下司機室出現的較為明顯的固有模態。

在機車整備狀態下，對HXN3B機車進行了模態實驗，具體結果如下：

通過模態驗證分析，在試驗頻段頻響函數擬合曲線與實際測量的誤差控制在3%。模態判別準則MAC矩陣中非對角項都小于10%，所有共振頻率處一階和二階模態指示函數（MIF）均是局部最小值。模態參預（MP）表表明各分析頻段上各模態的對兩激勵的有效性?？傊?，通過模態分析得出的模態參數是有效模態。

5 ?結語

采用減振式司機室及整體式燃油箱與柴油機支撐座的一體化結構可以增加司機室的舒適性，也保證了車體中間的剛度。同時運用高強度材料和有限元分析實現輕量化高強度的車體結構設計。

參考文獻：

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[2]劉惟信.機械可靠性設計[M].北京：清華大學出版社，1995.

[3]王僉.FXN3型客運內燃機車車體設計與分析[D].遼寧：大連理工大學，2019.