張紅學(xué)，趙華，胡勝經(jīng)（四川中車玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司，資陽641301）

NY6240ZJA混合動(dòng)力機(jī)車用柴油機(jī)機(jī)體的設(shè)計(jì)

張紅學(xué)，趙華，胡勝經(jīng)
（四川中車玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司，資陽641301）

圍繞一種新型混合動(dòng)力機(jī)車用柴油機(jī)機(jī)體的設(shè)計(jì)，采用新的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)和方法對柴油機(jī)機(jī)體進(jìn)行了多方案對比、分析和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)體剛度和強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)優(yōu)化方案試制了一臺(tái)機(jī)體進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)體設(shè)計(jì)的可靠性和合理性。

機(jī)體強(qiáng)度剛度可靠性

1 前言

NY6240ZJA型機(jī)車柴油機(jī)是我公司在成功開發(fā)NY12V240ZJA的基礎(chǔ)上，與中車資陽機(jī)車有限公司合作開發(fā)的低消耗、低排放、高可靠性的新一代節(jié)能環(huán)保型機(jī)車柴油機(jī)，用于中車資陽機(jī)車有限公司研制的2 000～2 500 kW混合動(dòng)力機(jī)車之上。設(shè)計(jì)中繼承和揉合了公司成熟產(chǎn)品16V240ZJB柴油機(jī)、16V280ZJ柴油機(jī)、6240ZJ柴油機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為滿足NY6240ZJA柴油機(jī)性能的要求，在設(shè)計(jì)過程中引用了新的設(shè)計(jì)理念和方法。

2 機(jī)體的設(shè)計(jì)目標(biāo)

機(jī)體作為柴油機(jī)的主體骨架，是其它零部件的安裝基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)性能的好壞對柴油機(jī)可靠性、耐久性影響極大。由于該柴油機(jī)的強(qiáng)化程度較高，因此在整個(gè)柴油機(jī)設(shè)計(jì)中，對機(jī)體設(shè)計(jì)給予了極大的關(guān)注。該柴油機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1[1]。

根據(jù)NY6240ZJA柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃，在6240ZJ型柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，該型柴油機(jī)的功率由900 kW提高到1 250 kW，最高爆發(fā)壓力由14MPa提高到16MPa。在總體布置方面，該柴油機(jī)仍沿用了原6240ZJ型柴油機(jī)的許多結(jié)構(gòu)參數(shù)，并考慮到機(jī)車裝用條件和生產(chǎn)工藝及加工設(shè)備等客觀因素，總體設(shè)計(jì)時(shí)要求機(jī)體很多結(jié)構(gòu)參數(shù)，如長寬高、錯(cuò)缸距、缸心距、裙深以及曲軸和凸輪軸的安裝布置方式等均要與6240ZJ型柴油機(jī)相同，并且整個(gè)做功單元采用NY12V240ZJA結(jié)構(gòu)，高溫水道為機(jī)體內(nèi)置式。為了滿足NY6240ZJA柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)際上就是重新計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)一臺(tái)新的6缸直列式柴油機(jī)。

表1 NY6240ZJA柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 機(jī)體設(shè)計(jì)方案

由于機(jī)體的結(jié)構(gòu)形式和受力非常復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)性能的好壞對柴油機(jī)可靠性、耐久性影響極大。因此該柴油機(jī)機(jī)體仍采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵QT500-7，并且采用整體鑄造方式來保證各種復(fù)雜型腔的形成，以便為柴油機(jī)的油、水的流量提供較好的分配。為了加強(qiáng)對鑄件質(zhì)量的控制，試棒采用附鑄采樣的方式，采樣位置在主軸螺栓孔和氣缸螺栓孔附近。

該型柴油機(jī)機(jī)體的外形、結(jié)構(gòu)和布置與6240ZJ型柴油機(jī)基本相同，見圖1。其橫截面近似為四邊形，基本結(jié)構(gòu)仍為直列式。曲軸孔位于機(jī)體的中部，氣缸孔布置在機(jī)體的中部與曲軸孔垂直，凸輪軸孔和主油道仍位于機(jī)體左上側(cè)[1]。

圖1 NY6240ZJA柴油機(jī)機(jī)體外形圖

NY6240ZJA柴油機(jī)功率的提高對機(jī)體作用力加大，使機(jī)體的內(nèi)應(yīng)力增加和變形加劇。從改善機(jī)體力學(xué)性能的角度考慮，須增大NY6240ZJA柴油機(jī)機(jī)體縱向和橫向的剛度。因?yàn)樵诓裼蜋C(jī)工作時(shí)應(yīng)保證機(jī)體各主軸承孔間的最大相對變形不得超過0.09mm，任意相鄰兩軸承孔間的相對變形不得超過0.06mm。在設(shè)計(jì)中難度最大的就是解決主軸承孔處的變形量及各軸承檔曲軸孔變形超差的問題，另外，改善氣缸孔、主軸承螺栓孔和氣缸螺栓孔處應(yīng)力較高也是一個(gè)較大的問題。通過不同的方案比較和優(yōu)化最終得以處理好這一難點(diǎn)。

NY6240ZJA柴油機(jī)機(jī)體吸取了國外同類柴油機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，收集了國內(nèi)外同類型柴油機(jī)機(jī)體的主要尺寸作為參考，見表2。

表2 國內(nèi)外同類型柴油機(jī)機(jī)體的主要尺寸比較

通過多種結(jié)構(gòu)方案的分析計(jì)算后，最終確定了機(jī)體的橫截面形狀，見圖2。同時(shí)對機(jī)體部分結(jié)構(gòu)尺寸從以下幾方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，來增加機(jī)體的剛度和強(qiáng)度。

圖2 NY6240ZJA柴油機(jī)機(jī)體橫截面

（1）提高機(jī)體頂面高和裙深來提高機(jī)體整體的抗彎、抗扭剛度。在機(jī)體設(shè)計(jì)中，裙深與行程的比值增大，機(jī)體整體的抗彎、抗扭剛度就增大。機(jī)車用中速柴油機(jī)的這個(gè)比值范圍為1.2～1.6之間[2]。NY6240ZJA機(jī)體的這個(gè)比值1.636已經(jīng)達(dá)到要求范圍的上限值。為了不影響機(jī)體整體的抗彎、抗扭剛度，將機(jī)體兩側(cè)面厚度增加5mm，機(jī)體底板厚度增加8mm，氣缸孔之間的隔板增加5mm。

（2）合理地布置加強(qiáng)筋和隔板在機(jī)體設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要位置。氣缸的爆發(fā)壓力在柴油機(jī)內(nèi)傳遞和平衡，均在加強(qiáng)筋、隔板和螺栓搭子內(nèi)傳遞。因此把機(jī)體的加強(qiáng)筋盡可能沿氣缸蓋螺栓搭子到主軸承螺栓搭子的連線或接近連線布置，主軸孔附近左右兩邊各增加一條加強(qiáng)筋。

（3）為了增加主軸孔及主軸螺栓孔附近這些強(qiáng)載荷區(qū)域內(nèi)的抗彎、抗扭剛度，該機(jī)體在設(shè)計(jì)中間立板時(shí)，以斜面加強(qiáng)、圓角相連的設(shè)計(jì)原則，采用20°斜角，從主軸承座往上伸張，見圖3。

圖3 機(jī)體中間立板

（4）機(jī)體在凸輪軸孔和主油道中間設(shè)計(jì)一條壁厚20mm的高溫水道。水道采用與機(jī)體整體鑄造相同的方式鑲?cè)朐跈C(jī)體中，見圖4。一方面高溫水道可以看做機(jī)體的加強(qiáng)筋板，增加了機(jī)體的抗拉強(qiáng)度和剛度，另一方面，高溫冷卻水道的重新布置避免了原6L240柴油機(jī)冷卻水管側(cè)面布置存在的幾個(gè)問題：①管路振動(dòng)，②管路連接處泄漏，③管子裂損，④拆卸困難。如該機(jī)體用于原6L240柴油機(jī)時(shí)，只需在機(jī)體左側(cè)每檔加工一個(gè)Φ70mm的孔，將缸孔進(jìn)水支道與側(cè)面貫通即可（Φ70mm孔用于安裝外置的高溫進(jìn)水支管）。

（5）將進(jìn)入各氣缸孔的高溫分水道布置在與氣缸孔母線相切的位置，目的是降低高溫水對氣缸套的穴蝕，提高氣缸套的冷卻效果[2]。

4 機(jī)體的計(jì)算分析

通過建立三維實(shí)體模型，采用ANSYS軟件對機(jī)體的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行有限元計(jì)算和比較，模擬各種工況下機(jī)體的應(yīng)力峰值大小、位置、方向和機(jī)體內(nèi)部變形大小、位置、方向，全面評估機(jī)體的危險(xiǎn)區(qū)域和力學(xué)性能對機(jī)體的影響。

該柴油機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)形狀、受力特征和變形狀態(tài)均十分復(fù)雜，為了減少計(jì)算量且保證計(jì)算精度，在分析機(jī)體的剛度及機(jī)體各氣缸部位的強(qiáng)度時(shí)，將機(jī)體和軸承蓋作為整體分析，不考慮機(jī)體、軸承蓋、預(yù)緊螺栓之間的接觸問題。

圖4 高溫水道截面圖

（1）機(jī)體的應(yīng)力分析

通過施加外載荷力（各缸氣體作用力、活塞側(cè)壓力、各主軸承孔作用載荷、主軸承螺栓預(yù)緊力、橫拉螺栓預(yù)緊力和氣缸蓋螺栓預(yù)緊力），計(jì)算出柴油機(jī)的最大功率時(shí)，機(jī)體上最大應(yīng)力區(qū)域在機(jī)體的第6缸的各氣缸螺栓孔區(qū)域以及機(jī)體第7檔立板主軸孔附近，見圖5。機(jī)體最大應(yīng)力主要是由螺栓預(yù)緊力引起的。機(jī)體材料的強(qiáng)度極限為520MPa，通過計(jì)算，機(jī)體的第1主應(yīng)力最大值為210MPa，等效應(yīng)力最大值為230MPa，機(jī)體有足夠的靜強(qiáng)度。

圖5 機(jī)體第7檔應(yīng)力圖

（2）機(jī)體的變形

在柴油機(jī)最大功率工況下，機(jī)體變形主要由工作載荷引起的橫向變形。機(jī)體各主軸孔孔心的絕對變形量最大值均小于0.08mm，該機(jī)體主軸孔位的變形情況滿足設(shè)計(jì)要求，已接近設(shè)計(jì)規(guī)范限制，相鄰兩主軸孔孔心的最大相對變形均小于0.06mm，能保證柴油機(jī)各種運(yùn)動(dòng)副的良好工作。

（3）機(jī)體的疲勞強(qiáng)度分析

由于疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)目前無成熟的校核公式，故采用Goodman疲勞極限圖和常規(guī)疲勞計(jì)算相結(jié)合來考核機(jī)體的疲勞安全性，如圖6所示。圖中B點(diǎn)坐標(biāo)為某點(diǎn)應(yīng)力的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅，疲勞安全系數(shù)n越A2／A1，這樣得到安全系數(shù)的計(jì)算公式為

在柴油機(jī)最大功率時(shí)，計(jì)算出發(fā)火缸相鄰主軸承立板表面區(qū)域（第1檔、第2檔、第6檔和第7檔立板）最大應(yīng)力點(diǎn)處疲勞安全系數(shù)值均處于安全區(qū)內(nèi)，表明該機(jī)體有較好的疲勞強(qiáng)度。

圖6 Goodman疲勞極限圖

5 機(jī)體強(qiáng)力螺栓設(shè)計(jì)

機(jī)體的強(qiáng)力螺栓包括主軸承螺栓，氣缸蓋螺栓和橫拉螺栓，其作用是保證主軸承蓋以及氣缸蓋與機(jī)體、氣缸套在各種工況下的可靠性連接，確保柴油機(jī)的良好運(yùn)行。NY6240ZJA柴油機(jī)采用了6240ZJ柴油機(jī)的主軸螺栓和橫拉螺栓，位置和布置方式以及擰緊力矩等都與6240ZJ柴油機(jī)相同，這里不再做介紹。但受到柴油機(jī)爆發(fā)壓力的增加，以及柴油機(jī)吊裝需要，對氣缸蓋螺栓進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。氣缸蓋螺栓仍然采用M36×2，材料為42CrMo，長度比6240ZJ柴油機(jī)的增加了100mm，因此需要對其進(jìn)行校核計(jì)算。氣缸螺栓一般按以下公式計(jì)算[3～4]：

（1）每個(gè)氣缸螺栓的軸向載荷Fz

式中，

D——?dú)飧變?nèi)徑，mm；

p——最大爆發(fā)壓力，MPa；

Z——每個(gè)氣缸螺栓數(shù)量。

（2）螺栓旋緊時(shí)所需的預(yù)緊力Fp

式中，

λ——螺栓連接的相對剛度；

K——預(yù)緊系數(shù)。

（3）螺栓的計(jì)算載荷Q

（4）當(dāng)螺栓旋緊時(shí)，由于螺栓與螺母間的摩擦使螺栓所受得扭矩M1

式中，

α——螺紋導(dǎo)角；

β——摩擦角。

（5）螺栓的強(qiáng)度校核

螺栓材料是否屈服，應(yīng)滿足：Q/s＜σ/n。s—螺栓的最小截面積，σ—材料的屈服極限，n—安全系數(shù)。

（6）螺栓拉伸量ΔL

式中，

δ——?dú)飧茁菟ǖ娜岫取?/p>

計(jì)算結(jié)果表明，螺栓安全性能滿足設(shè)計(jì)要求，只是螺栓最大強(qiáng)度值已經(jīng)接近屈服極限，當(dāng)螺栓預(yù)緊力為353 kN時(shí)，螺栓的拉伸量約為0.78mm。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，進(jìn)行了氣缸螺栓拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在0.78mm的螺栓拉伸量條件下，螺栓未發(fā)生屈服變形。下一步將借鑒國外強(qiáng)力螺栓的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以提高螺栓的安全性。

6 結(jié)束語

根據(jù)多個(gè)方案的計(jì)算分析和綜合考慮各種因數(shù)的影響，最終確定了該型柴油機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)已試制了一臺(tái)樣機(jī)，目前正在隨機(jī)車進(jìn)行路線運(yùn)用考核。下一步準(zhǔn)備通過檢測機(jī)體的變形來進(jìn)一步完善前期的設(shè)計(jì)工作和驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，為該型柴油機(jī)的總體性能提高提供可靠的基礎(chǔ)。

[1]四川中車玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司.NY6240ZJA柴油機(jī)維護(hù)使用手冊，2015

[2]史紹熙.柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984.

[3]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4]謝聯(lián)先.16240Z柴油機(jī)主軸螺栓及氣缸螺栓的計(jì)算。大連機(jī)車車輛工廠，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

來稿日期：2017-01-06

張紅學(xué)（1976-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。