箱式內燃電傳動機車動力包設計

于 洋

（中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116021）

0 引言

鐵路運輸具有運輸能力大、運輸成本低等特點，廣泛應用于工業和人民的日常生活。當前的主流鐵路以電氣化鐵路為主，但仍有大量場景不適合電力機車的推廣與應用，如某些大型工廠需要在廠內運輸大量物料，鐵路運輸較為合適，但是建造電氣化鐵路成本較高且受空間限制，使得內燃電傳動機車成為最佳選擇；又如國際化鐵路的建設，在各個國家之間跨國鋪設電力設備難度較大，也使內燃電傳動機車成為不錯的參考[1-2]。因此，內燃電傳動機車仍有較大的市場應用空間。

動力包是內燃電傳動機車的重要組成部件，主要為機車提供電能和傳遞扭矩，本文主要介紹一種箱式內燃電傳動機車動力包。

1 原理與結構

1.1 基本原理

箱式內燃電傳動機車動力包采用立式柴油機和勵磁交流發電機組成內燃柴發機組，柴油機、勵磁發電機放置在安裝底架上，配以電氣系統、輔助系統、懸掛系統、管路、散熱器等，以維持系統正常運轉，整個系統產生電力和扭矩供機車使用，靜音箱將所有部件籠罩其中，起防護和降噪作用。

1.2 總體結構

箱式內燃電傳動機車動力包主要由安裝底架、柴油機、發電機、進氣系統、散熱系統、輔助系統、電氣系統、管路系統、靜音箱等組成[3]，其實物圖如圖1所示，主要參數如表1所示。

表1 動力包參數

圖1 箱式動力包

1.2.1發電機

為保證動力包輸出功率為250 kW 且滿足經濟性要求，采用額定功率250 kW，額定轉速1 500 r/min，額定電壓AC650 V，額定電流234 A，功率因數0.95的勵磁發電機，發電機為單軸承支撐結構，發電機轉子聯軸器片與柴油機飛輪盤連接，發電機前端蓋與柴油機飛輪殼連接，柴油機帶動發電機轉子轉動產生電力。

1.2.2柴油機

由于車上動力包空間較為充裕，結合主機廠提供的接口尺寸和技術要求以及與發電機的配合形式，選用一款直列6 缸、四沖程的立式柴油機，該柴油機的轉速為1 500 r/min，持續功率為295 kW。

1.2.3柴油機輔助系統

柴油機輔助系統是輔助柴油機正常工作的關鍵組成，包括進氣部分、排氣部分、燃油部分、水暖加熱器部分。

進氣部分擁有一個空氣濾清器、增壓器及配套管路，為柴油機提供充足且清潔的空氣進行燃燒，濾清器上配有壓差計，當壓差計報警之后就需要進行濾芯更換；排氣部分包含一個消音器和配套管路；燃油部分包括燃油的進出油管路、燃油濾清器、手動泵，這些部件合理布置在柴油機周圍，以便后續修理或更換；水暖加熱器安裝在柴油機尾部，當環境溫度低于柴油機工作溫度時，水暖加熱器通過加熱循環水將柴油機加熱到允許工作溫度后方可起機。

1.2.4散熱系統

散熱系統主要給柴油機和增壓空氣進行冷卻，散熱系統采用尾置式，主要由水散熱器、散熱風扇、風扇馬達、膨脹水箱、散熱管路等組成。風扇馬達帶動散熱風扇轉動，當散熱介質流過散熱器時，流動的空氣帶動多余的熱量散失，整個動力包為負壓式，空氣通過百葉門窗進入，從動力包尾部散出。

1.2.5電控系統

電控系統主要控制柴油機、散熱風扇的啟停、速度，并對柴油機的冷卻水溫度、增壓空氣的溫度、柴油機轉速、輸出功率等進行監測，同時與整車系統通信，發送動力包實時狀態[4]。

1.2.6框架

框架包括安裝底架、靜音箱以及減震元件。安裝底架由矩形鋼管、角鋼、鈑金件焊接而成，分為上下兩部分，上層的安裝底架直接安裝柴油機和發電機，下層的安裝底架設置管路支架、電控箱支架以及其他輔助部件的安裝支架；兩層安裝底架之間通過減震元件連接，既可以保證柴油機和發電機之間的安裝穩定性，又可以起到減震作用。靜音箱的框架由矩形鋼管焊接而成，框架之間的空隙部分以鋼板焊接填充，同時留有百葉門窗以及電氣接口，靜音箱內部用多孔板將靜音棉壓裝在靜音箱內墻上，以達到噪聲控制要求。

2 仿真與計算

安裝框架是動力包的支撐主體，關系到動力包的穩定性。假設材料一致、線性結構、小變形、不考慮溫度的影響，對動力包安裝框架進行靜強度和疲勞強度分析。對復雜部件進行簡化，以質量點代替。質量點位于部件空間中心，用固定約束約束于安裝點。螺栓連接以梁單元代替，減震器用橡膠彈簧代替[5]。

2.1 靜強度分析

為探究不同工況下安裝框架的狀態，分6 種工況對框架不同方向施加不同重力加速度，對框架進行靜強度仿真分析[6-7]，具體工況設計如表2 所示，6 種工況下的靜強度分析結果分別如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。

表2 靜強度分析工況

圖2 工況1

圖3 工況2

圖4 工況3

圖5 工況4

圖6 工況5

圖7 工況6

計算結果與實際材料的許用應力對比如表3 所示。從分析結果可以看出，母材應力最大的工況為工況5，最大應力為281 MPa，位置在柴油機安裝座處；焊縫應力最大的工況為工況1，最大應力為216.3 MPa，位置在柴油機安裝座焊縫處。最大框架局部應力和最大焊縫局部應力分別如圖8、圖9 所示。所有計算結果均小于許用應力，證明所設計結構能夠滿足各種工況的使用要求。

表3 靜強度分析結果

圖8 框架局部應力

圖9 焊縫局部應力

2.2 疲勞分析

在框架疲勞分析方面，根據規范設置8 種工況進行分析[8]，具體如表4所示。

表4 疲勞分析工況

動力包柴油機發電機組安裝在公共底架上，公共底架通過減震器連接在底架上，將動力包底架與車體安裝螺栓位置進行約束。動力包疲勞強度邊界條件如圖10 所示，在圖示位置做固定約束，疲勞分析結果如表5所示。

表5 疲勞分析結果

圖10 動力包疲勞強度工況邊界條件

從疲勞分析結果可以看出，母材疲勞最大應力為87.6 MPa，焊縫疲勞最大應力為39.5 MPa，均小于相應的疲勞許用應力值，滿足設計要求。

2.3 模態分析

動力包柴油機組采用彈性安裝方式，故模態分析工況為框架結構的無約束模態分析[9]。動力包模態分析結果如表6 所示，由模態分析結果可知，框架一階模態振型為扭轉，一階固有頻率為13.1 Hz。

表6 模態分析結果

2.4 減震計算

動力包上下兩層底架由6 個減震器連接，減震系統如圖11 所示。以柴油機飛輪端端面中心為原點，X軸為柴油機輸出軸軸線方向，正向為散熱器方向；Y軸為與X軸垂直的水平方向，油尺側為正向；Z軸為垂直方向，向上為正。在靜載荷作用下，減震器的變形量如表7所示。

表7 靜載荷作用下減震器的變形量

圖11 減震系統

計算結果表明，在靜載荷的作用下，減震器的變形量在X方向和Y方向都為0，變形發生在Z方向，6 個減震器的最大變形為3.9 mm。同時，為了探究動力包可能出現的傾斜情況，分別計算動力包橫傾22.5°和縱傾22.5°時減震器的變形情況，在橫傾工況下，6 個減震器的最大變形量為2.6 mm；在縱傾工況下，6 個減震器的最大變形量為0.4 mm。由計算結果可以看出，在柴發機組減震器的重力靜變形和穩定性的分析中，重力靜變形較為理想，該發電機組隔振系統具有良好的穩定性。

3 動力包性能測試

在動力包組裝完成后，安裝于試驗框架上，按照要求完成試驗前的安裝及檢查。在25%額定功率運行5 min，50%額定功率運行5 min，75%額定功率運行5 min，100%額定功率運行5 min，110%額定功率運行5 min 時的各項參數如表8 所示[10]。從試驗結果可以看出，該動力包的各項參數都在正常范圍內，能夠持續穩定地輸出電能。

表8 試驗參數

4 結語

本文介紹了一種箱式內燃電傳動機車動力包的設計和驗證過程，結果表明，在柴發機組減震器的重力靜變形和穩定性的分析中，重力靜變形較為理想，且隔振系統具有良好的穩定性。該動力包的各項參數都在正常范圍內，適應性強，可廣泛應用于各種軌道交通車輛或為其他設備提供動力源，具有廣闊的應用和推廣前景。