內燃機車冷卻裝置的數字化設計與分析

姚召華 張少元 史秋萍

摘 要：介紹了內燃機車冷卻裝置設計概述，詳細敘述了安裝于某新型內燃機車上冷卻裝置的設計與分析過程。設計過程基于CREO2.0環境下的TOP-DOWN設計理念，有利于進行全局控制，提高了設計中信息傳遞的準確性，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字化三維模型。在冷卻裝置的結構模型確定后，通過ANSYS workbench 14.0軟件對冷卻裝置鋼結構進行了多種工況下的強度分析，驗證了該新型冷卻裝置設計結構的合理性和可靠性。

關鍵詞：內燃機車;冷卻裝置;TOP-DOWN;結構設計;強度分析

1. 內燃機車冷卻裝置設計概述

內燃機車冷卻裝置是散熱器、冷卻風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冷卻，是內燃機車重要的組成部分。冷卻裝置設計的合理性和可靠性將直接影響機車的使用性能。我國內燃機車冷卻裝置的設計結構，根據機車總體布置及柴油機冷卻要求，主要有V型或H型吸風式冷卻裝置以及頂置排風式冷卻裝置[1]。

本文設計的冷卻裝置，采用內走廊機車傳統的兩側壁支撐結構，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要求，冷卻裝置采用大塊頂置式雙流道銅散熱器和外轉子風扇電機組組合結構，該結構型式能夠最大限度的節約機車內部高度空間以便于集中通風風機的安裝。散熱器和冷卻風扇的具體性能參數匹配，需根據柴油機的熱負荷指標進行詳細的冷卻計算而得，風扇和散熱器之間的間距則根據排風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的冷卻風扇;在風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壁上[3]。此外，為滿足機車軸重設計要求，冷卻裝置鋼結構采用輕量化設計并通過有限元計算驗證結構的可靠性。

圖1? 某型內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-冷卻風扇電機組;5-冷卻裝置鋼結構;6-門;7-通風機;8-機車側壁;9-機車車架;

2. 冷卻裝置的自頂向下結構設計

2.1 TOP-DOWN設計概述

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

TOP-DOWN自頂向下設計是從產品結構的高層向所有受影響的底層子系統傳遞設計標準和關鍵信息的一種方法;同時也是在整個設計過程中對相關性及變更傳遞的一種控制管理工具。采用TOP-DOWN設計可以完全控制和分發設計意圖，防止不正確的參考關系建立，從而便于更好的管理和組織設計意圖。此外，TOP-DOWN設計能夠更容易精確地測試設計變型，設計靈活性較強;能夠確保公用設計和信息的一致性，實現數據共享;能夠實現設計變更的快速傳播，節約變更的時間、資金和資源。

TOP-DOWN設計工具主要包括布局、骨架模型、發布和復制幾何等。根據設計需要運用相應工具，通過給定的設計約束條件和設計參數等信息，便可自頂向下的并行開展機車冷卻裝置的三維結構設計。

a） 自底向上設計方法

b） 自頂向下設計方法

圖2? 兩種不同設計方法

2.2內燃機車冷卻裝置的TOP-DOWN結構設計

本文設計的冷卻裝置主要包括散熱器、冷卻風扇電機組以及冷卻裝置鋼結構等，其總體布局見圖1所示。根據冷卻裝置的布局結構，建立其骨架模型是冷卻裝置TOP-DOWN設計的核心。骨架模型的作用是通過點、線、面等信息把設計方案在三維中表達清楚，傳遞設計信息。當骨架發生變化時，與之相關聯的實體模型也將發生變化，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布的設計條件中復制冷卻裝置設計所需要的輸入條件，包括機車車體輪廓、冷卻裝置定位坐標等;然后逐步建立冷卻裝置內部各主要結構的骨架模型;最后采用發布幾何的方式把相關信息發布至其下級設計或其它并行設計結構中去，如：將冷卻裝置骨架的下部結構采用發布幾何工具傳遞至其下級風扇支架的結構設計中，將散熱器進出水接口發布至與其并行設計的冷卻水系統管路設計中。同時對于冷卻裝置下級結構或者其它并行設計結構，在復制冷卻裝置發布的幾何信息后，仍需逐級完善其骨架模型，直至將結構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。從而實現了對整個冷卻裝置結構的全局控制，其詳細骨架模型如圖3所示。

圖3 冷卻裝置骨架模型

整個冷卻裝置的設計是圍繞骨架設計進行的，總骨架的搭建不可能一步到位，在分系統下級部件設計中隨時需要對模型的結構進行變更管理，通過復制（發布）幾何來交換信息，不斷完善總骨架模型。由此，通過TOP-DOWN設計方法，根據結構設計需要選用相應的結構材料，對各零部件進行詳細結構設計，最終完成基于CREO2.0軟件環境下的冷卻裝置數字化三維模型，如圖4所示。

圖4 冷卻裝置數字化三維模型

3. 基于ANSYS Workbench的結構分析

為了驗證冷卻裝置設計結構的可靠性，在完成冷卻裝置的數字化三維模型建立后，進行了基于ANSYS Workbench軟件環境下的冷卻裝置結構強度分析。

將CREO2.0軟件建立的數字化三維模型進行結構簡化，通過集成在CREO中的ANSYS接口工具輸入到ANSYS 14.0 中。將散熱器和風扇電機組重量載荷通過幾何質心點的方式加載至冷卻裝置鋼結構上，如圖5所示。對冷卻裝置鋼結構進行抽取中面、定義接觸等模型處理，并選用殼單元對模型進行有限元網絡劃分，共劃分了167175 個單元，358423 個節點。坐標系選用全局坐標系，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，鋼結構材料選用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

風扇扭矩載荷N·m

邊界條件

分析類型

驗證準則

1

起吊

FZ =g

無

兩側起吊位置位移約束

線性靜態

許用應力

2

縱向沖擊

FX =4g

M=1752

兩側安裝座螺栓孔位移約束

3

橫向沖擊

FZ =2g

M=1752

兩側安裝座螺栓孔位移約束

4

垂向沖擊

FZ =2g

M=1752

兩側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，冷卻裝置結構的詳細應力分布云圖，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 冷卻裝置各工況應力分布云圖

各工況下應力計算結果詳見表3。

表3 冷卻裝置各工況結構強度計算結果

序號

工況

最大應力值（MPa）

最大應力位置

許用應力（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計標準中所描述的要求。而縱向載荷工況下應力較大，接近材料許用應力，因而需做相應結構改進。經過分析，將中間立板的厚度由7mm 改為10mm，其最大應力值為296.22MPa，出現在底部斜撐邊緣，如圖7所示，滿足設計要求。此外，通過ANSYS Workbench軟件也可以方便的查看各工況下結構的變形情況，經確認也能均滿足設計要求。

圖7 結構改進后縱向載荷工況應力分布云圖

4. 總結

本文設計的某新型內燃機車冷卻裝置，采用了全數字化設計手段，通過計算機三維設計與仿真分析軟件的有效結合，完成了的冷卻裝置的結構設計與分析。設計中采用TOP-DOWN設計方法，保證了冷卻裝置設計過程中能夠對其內外部接口和設計變更的傳遞進行準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構應力的分布情況，及時發現設計結構中的強度薄弱環節，并采取有效措施進行改進，保證了冷卻裝置設計結構強度的可靠性。

參考文獻：

[1]戴繁榮. 內燃機車冷卻裝置[M]. 北京：中國鐵道出版社，1993

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

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

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