内燃机车冷却装置的数字化设计与分析

摘 要：介绍了内燃机车冷却装置设计概述，详细叙述了安装于某新型内燃机车上冷却装置的设计与分析过程。设计过程基于CREO2.0环境下的TOP-DOWN设计理念，有利于进行全局控制，提高了设计中信息传递的准确性，通过不断完善的骨架模型自顶向下建立了整个冷却装置的数字化三维模型。在冷却装置的结构模型确定后，通过ANSYS workbench 14.0软件对冷却装置钢结构进行了多种工况下的强度分析，验证了该新型冷却装置设计结构的合理性和可靠性。

关键词：内燃机车;冷却装置;TOP-DOWN;结构设计;强度分析

1. 内燃机车冷却装置设计概述

内燃机车冷却装置是散热器、冷却风扇等冷却部件的模块化集成载体，主要为机车柴油机的冷却水提供通风冷却，是内燃机车重要的组成部分。冷却装置设计的合理性和可靠性将直接影响机车的使用性能。我国内燃机车冷却装置的设计结构，根据机车总体布置及柴油机冷却要求，主要有V型或H型吸风式冷却装置以及顶置排风式冷却装置[1]。

本文设计的冷却装置，采用内走廊机车传统的两侧壁支撑结构，保证机车走廊处行走空间符合人机工程，同时满足防雨性要求[2]。为满足机车总体牵引电机集中通风要求，冷却装置采用大块顶置式双流道铜散热器和外转子风扇电机组组合结构，该结构型式能够最大限度的节约机车内部高度空间以便于集中通风风机的安装。散热器和冷却风扇的具体性能参数匹配，需根据柴油机的热负荷指标进行详细的冷却计算而得，风扇和散热器之间的间距则根据排风式冷却装置的一般要求而定。因而冷却装置的安装布局形式如图1所示，采用两台直径均为1600mm、功率75kW的冷却风扇;在风扇上方呈八字形布置两大块双流道铜散热器，整个冷却装置通过模块化安装于机车车体侧壁上[3]。此外，为满足机车轴重设计要求，冷却装置钢结构采用轻量化设计并通过有限元计算验证结构的可靠性。

图1 某型内燃机车冷却装置的安装布局形式

1-机车限界;2-大块散热器;3-走廊地板;4-冷却风扇电机组;5-冷却装置钢结构;6-门;7-通风机;8-机车侧壁;9-机车车架;

2. 冷却装置的自顶向下结构设计

2.1 TOP-DOWN设计概述

传统的三维设计一般指通过对单个零部件的设计建模，然后实现对组件甚至整个产品的装配建模，是一种BOTTOM-UP自底向上的设计方法。这种设计方法零部件之间的装配关系没有完整的描述，产品的全局性控制较差，且各零部件相对独立，设计意图传达不畅，一旦出错设计变更工作量较大。

TOP-DOWN自顶向下设计是从产品结构的高层向所有受影响的底层子系统传递设计标准和关键信息的一种方法;同时也是在整个设计过程中对相关性及变更传递的一种控制管理工具。采用TOP-DOWN设计可以完全控制和分发设计意图，防止不正确的参考关系建立，从而便于更好的管理和组织设计意图。此外，TOP-DOWN设计能够更容易精确地测试设计变型，设计灵活性较强;能够确保公用设计和信息的一致性，实现数据共享;能够实现设计变更的快速传播，节约变更的时间、资金和资源。

TOP-DOWN设计工具主要包括布局、骨架模型、和复制几何等。根据设计需要运用相应工具，通过给定的设计约束条件和设计参数等信息，便可自顶向下的并行开展机车冷却装置的三维结构设计。

a） 自底向上设计方法

b） 自顶向下设计方法

图2 两种不同设计方法

2.2内燃机车冷却装置的TOP-DOWN结构设计

本文设计的冷却装置主要包括散热器、冷却风扇电机组以及冷却装置钢结构等，其总体布局见图1所示。根据冷却装置的布局结构，建立其骨架模型是冷却装置TOP-DOWN设计的核心。骨架模型的作用是通过点、线、面等信息把设计方案在三维中表达清楚，传递设计信息。当骨架发生变化时，与之相关联的实体模型也将发生变化，从而控制外部引用的自动快速更新。

在进行冷却装置的骨架模型建立时，首先需从机车总体的设计条件中复制冷却装置设计所需要的输入条件，包括机车车体轮廓、冷却装置定位坐标等;然后逐步建立冷却装置内部各主要结构的骨架模型;最后采用几何的方式把相关信息至其下级设计或其它并行设计结构中去，如：将冷却装置骨架的下部结构采用几何工具传递至其下级风扇支架的结构设计中，将散热器进出水接口至与其并行设计的冷却水系统管路设计中。同时对于冷却装置下级结构或者其它并行设计结构，在复制冷却装置的几何信息后，仍需逐级完善其骨架模型，直至将结构信息传递至可以直接建模的零件。此外，对于外购部件，一般直接将其定位坐标在骨架中给出，冷却装置组装时将外购部件以模块化型式直接安装。从而实现了对整个冷却装置结构的全局控制，其详细骨架模型如图3所示。

图3 冷却装置骨架模型

整个冷却装置的设计是围绕骨架设计进行的，总骨架的搭建不可能一步到位，在分系统下级部件设计中随时需要对模型的结构进行变更管理，通过复制（）几何来交换信息，不断完善总骨架模型。由此，通过TOP-DOWN设计方法，根据结构设计需要选用相应的结构材料，对各零部件进行详细结构设计，最终完成基于CREO2.0软件环境下的冷却装置数字化三维模型，如图4所示。

图4 冷却装置数字化三维模型

3. 基于ANSYS Workbench的结构分析

为了验证冷却装置设计结构的可靠性，在完成冷却装置的数字化三维模型建立后，进行了基于ANSYS Workbench软件环境下的冷却装置结构强度分析。

将CREO2.0软件建立的数字化三维模型进行结构简化，通过集成在CREO中的ANSYS接口工具输入到ANSYS 14.0 中。将散热器和风扇电机组重量载荷通过几何质心点的方式加载至冷却装置钢结构上，如图5所示。对冷却装置钢结构进行抽取中面、定义接触等模型处理，并选用壳单元对模型进行有限元网络划分，共划分了167175 个单元，358423 个节点。坐标系选用全局坐标系，X、Y、Z 分别为纵向、垂向、横向[4]。

图5 冷却装置有限元简化模型

其次，对该有限元模型进行材料属性的定义，钢结构材料选用Q345，其机械性能见表1。

表1 材料属性

序号

属性

值

1

密度 [kg/mm3]

7.85e-6

2

弹性模量[MPa]

2.1e+5

3

泊松比

0.3

4

屈服强度[MPa]

345

在对冷却装置进行分析时，主要将其分为起吊工况和冲击载荷工况，各工况载荷及边界条件见表2。

表2 冷却装置工况载荷及边界条件

序号

工况

惯性及重量载荷

风扇扭矩载荷N・m

边界条件

分析类型

验证准则

1

起吊

FZ =g

无

两侧起吊位置位移约束

线性静态

许用应力

2

纵向冲击

FX =4g

M=1752

两侧安装座螺栓孔位移约束

3

横向冲击

FZ =2g

M=1752

两侧安装座螺栓孔位移约束

4

垂向冲击

FZ =2g

M=1752

两侧安装座螺栓孔位移约束

通过ANSYS Workbench有限元计算可得各工况下，冷却装置结构的详细应力分布云图，如图6所示。

a）起吊工况

b）纵向冲击载荷工况

c）横向冲击载荷工况

d）垂向冲击载荷工况

图6 冷却装置各工况应力分布云图

各工况下应力计算结果详见表3。

表3 冷却装置各工况结构强度计算结果

序号

工况

最大应力值（MPa）

最大应力位置

许用应力（MPa）

1

起吊

100.44

在中部斜撑底部

345

2

冲击载荷-纵向

336.7

在中间立板与管道连接处

345

3

冲击载荷-横向

72.125

在底部斜撑圆孔附近

345

4

冲击载荷-垂向

287.95MPa

在安装座螺栓孔附近

345

由计算结果可知，该冷却装置在起吊工况、横向载荷工况、垂向载荷工况下均满足设计标准中所描述的要求。而纵向载荷工况下应力较大，接近材料许用应力，因而需做相应结构改进。经过分析，将中间立板的厚度由7mm 改为10mm，其最大应力值为296.22MPa，出现在底部斜撑边缘，如图7所示，满足设计要求。此外，通过ANSYS Workbench软件也可以方便的查看各工况下结构的变形情况，经确认也能均满足设计要求。

图7 结构改进后纵向载荷工况应力分布云图

4. 总结

本文设计的某新型内燃机车冷却装置，采用了全数字化设计手段，通过计算机三维设计与仿真分析软件的有效结合，完成了的冷却装置的结构设计与分析。设计中采用TOP-DOWN设计方法，保证了冷却装置设计过程中能够对其内外部接口和设计变更的传递进行准确而有效的全局性控制。本文通过ANSYS Workbench软件分析了冷却装置结构应力的分布情况，及时发现设计结构中的强度薄弱环节，并采取有效措施进行改进，保证了冷却装置设计结构强度的可靠性。

参考文献：

[1]戴繁荣. 内燃机车冷却装置[M]. 北京：中国铁道出版社，1993

[2]戚墅堰机车车辆厂. 东风11型内燃机车[M]. 北京：中国铁道出版社，1997

[3]张少元. DF8CJ型交流传动内燃机车干式冷却系统研制[J].铁道机车车辆，2005，25（12）：43-47

[4]浦广益. ANSYS Workbench基础教程与实例详解[M]. 北京：中国水利水电出版社，2013