一种内燃机车燃油箱防脱结构设计

一种内燃机车燃油箱防脱结构设计

徐笑莹  广德强  房恺  陈一硕 何亭睿

中车大连机车车辆有限公司  辽宁大连  116021

摘要：本文对一种内燃机车吊挂式燃油箱现有安装方式进行调研分析，发现其安装用活节螺栓失效时将导致燃油箱脱落。因此在其原有的安装方式基础上，增加防脱结构，对原有的安装方式进行改进。最后对防脱结构进行有限元仿真，对其静态载荷下的应力进行分析，计算结果证明，所设计的防脱结构强度满足工作要求，可使吊挂式燃油箱的安全系数得到良好的提升。

关键词：机车；防脱结构；燃油箱；有限元

1引言

铁路机车作为一种大运量的交通运载工具，在现代社会中占据着重要的地位。随着我国机车制造能力的不断提升，对机车产品质量、安全系数也有了更高的要求[1]。燃油箱作为车体底架钢结构的重要组成部分，具有承载燃油和安装蓄电池等功能，其结构的可靠性对于机车安全运行至关重要。燃油箱的安装形式分为整体承载式与吊挂负载式，整体承载式大多存在加工困难、组焊后不便检验、出现问题修复困难等情况，因此目前大多采用吊挂式燃油箱[2]。本文主要通过分析一种吊挂式燃油箱的安装结构，发现其螺栓失效的隐患性，从而进行结构优化，在现有结构上增加防脱连接杆，改良后通过有限元方法对其分析校核，最终达到提升燃油箱安装座安全可靠性的目的。

2一种吊挂式燃油箱安装形式

悬挂式燃油箱是由燃油箱体、悬挂装置、附属设备和蓄电池箱等部件焊接而成的结构，燃油箱的悬挂装置一般位于燃油箱的端板外侧，主要是将燃油箱稳固的固定在底架下方。一种内燃机车的燃油箱悬挂装置为底架部分和燃油箱部分通过销轴和活节螺栓连接，其中底架部分为铸造结构、燃油箱部分为板式焊接结构，其基本结构如图1所示。

1.悬挂装置（燃油箱部分）；2.活节螺栓；3.悬挂装置（底架部分）；4.销轴；

5.纵向间隙调整垫板；6.垂向间隙调整垫板；7.锥面垫圈和球面垫圈

图1  燃油箱悬挂装置基本结构示意图

该悬挂装置主要由销轴和螺栓承载，销轴尾部有开口销，可以防止销轴错位脱落。螺栓使用止动垫圈防松，使用锥面垫圈和球面垫圈调平，以此减少螺栓受到额外的弯矩，有利于防止螺栓疲劳失效。悬挂装置中活节螺栓和销轴组成了一对旋转副，当燃油箱受到较大的纵向冲击时，悬挂装置有和燃油箱一起绕销轴旋转的趋势，活节螺栓可能会频繁受剪切力而导致失效。这种悬挂装置的优势在于尺寸较小，对安装空间要求不高。但其无额外的防脱手段，当销轴或螺栓失效时，悬挂装置将自然脱开导致燃油箱脱落。

同时，该悬挂装置使用垫片调整其和燃油箱的间隙。由于活节螺栓可以自由地绕销轴旋转，因此该悬挂装置对生产制造的形位公差要求不高。悬挂装置燃油箱部分设有活节螺栓导向板，燃油箱安装较为方便。

此装置适用于小容量和中等容量燃油箱，其生产制造工艺较复杂，安装拆卸则较便捷。但该型悬挂装置无额外的防脱结构，当活节螺栓失效时会导致燃油箱脱落。

3防脱结构设计

基于上述悬挂装置可能会出现的销轴或螺栓失效的风险点，为防止燃油箱脱落，增加机车运行安全的可靠性，从而设计一种防脱结构，在不改变原结构的基础上进行优化改进，其基本结构如图2所示。

1.吊座（底架部分）；2.连接杆；3.吊座（燃油箱部分）；

4.带孔螺栓；5.螺母；6.垫片

图2  防脱吊杆基本结构示意图

结构中的吊座1与底架部分焊接，吊座3与燃油箱悬挂装置焊接，两者之间通过带长圆孔的连接杆以及两套螺栓、螺母组成了连杆机构。螺栓采用GB/T 31.1六角头螺杆带孔螺栓，末端带有开口销，以防螺母松动脱落。正常使用情况下，螺母不上力矩，螺母与连接杆之间不存在紧压力，防脱结构整体不受燃油箱体的垂向作用力。连接杆一端为圆孔，另一端为长圆孔，在留有安装余量方便拆装的同时，当悬挂结构失效时，连接杆的长圆孔也可根据螺栓松动程度的不同，为其提供垂向作用力。

4防脱结构强度计算分析

本文基于有限元计算方法，使用ANSYS计算软件，对某型外走廊底架承载式机车的燃油箱防脱结构进行有限元分析校核，在悬挂结构完全失效的情况下，测试防脱结构中连接板的强度与螺栓的抗剪切能力，是否可以满足燃油箱的吊挂需求，能否保证机车运行的安全可靠。某外走廊底架承载式机车燃油箱安装结构如图3，通过4个连接点吊挂于机车中部。

图3  某外走廊底架承载式机车燃油箱安装结构

燃油箱在整备状态下的重量可达6吨，因此每个安装点施加垂向载荷1.5吨。根据BS EN 12663-2010 铁路应用—轨道车辆车体结构要求，对燃油箱的防脱结构进行计算。由图4中计算结果可知在静强度工况下，防脱结构的最大应力为408Mpa，处于连接杆的螺栓安装处，小于材料的许用应力460Mpa，也小于螺栓的最大剪切应力，满足强度要求。

图4  防脱结构静态强度

5结语

本文通过分析一种吊挂式燃油箱的安装结构，发现其存在螺栓紧固失效的安全隐患，从而对其进行结构优化。文中详细阐述了一种吊挂式燃油箱的安装形式，分析了其在应用场景下可能会产生的风险问题，并设计了一种基于原结构改良的防脱结构。最后结合有限元仿真软件对其静态载荷下的应力进行分析，经验证其可以满足防脱功能需求，提高了机车的安全可靠性。

参考文献：

[1]冯江华.轨道交通装备技术演进与智能化发展[J].控制与信息技术, 2019(1):7

[2]王旭.CDN10型内燃机车燃油箱的设计[J].山东工业技术, 2016(22):3