基于有限元法机车砂箱结构强度计算分析

赵猛

摘要：机车轮对在遇到恶劣自然条件下，轮轨间的粘着系数将大大降低，致使轮对会发生空转，影响机车行车安全。撒砂系统的设计有利于提高轮轨之间粘着性。本文以砂箱装置为研究对象，确定载荷及边界条件，并基于ANSYS Workbench对结构进行有限元计算。结果表明：砂箱Von Mises应力178.8MPa，低于材料的许用应力，结构不会发生屈服;变形0.514mm，位于砂箱外斜面处。优化设计时，可增加横版提高结构的刚度。

关键词：冷却风扇;静强度;有限元;Workbench

0  引言

机车动轮在受到污染如水、油和霜雪的钢轨上启动或运行时，由于轮轨粘着状态的恶化，轮对会发生空转。在紧急制动时，由于制动力较大，车轮往往也会产生滑行。空转和滑行会损坏轮轨，影响行车安全。为了改善轮轨的接触状态，提高粘着系数，从而提高轮轨蠕滑力，司机应在轮轨接触处进行撒砂，制止动轮空转或者滑行，使机车顺利启动和正常运行[1]。

砂箱装置强度计算采用有限元计算软件ANSYS Workbench。Workbench软件[2-3]是ANSYS公司最新推出的工程仿真技术集成平台。Workbench中结构参数可双向传递、参数数据一键自动更新。本文以砂箱装置为研究对象，根据铁路行业标准施加载荷及边界条件，最终在Workbench的静态分析模块中仿真计算，得出应力及变形结果云图，理论校核结构的强度是否满足标准。

1  砂箱结构描述

机车上的撒砂系统由砂箱、脚踏开关、手动按钮、撒砂阀和喷嘴等组成。砂箱安装在转向架构架端部的四个角处，每个砂箱装砂量100KG。当轮轨间发生空转或遇到天气状况不佳需要撒砂时，司机踏脚踏开关或手动操作，来自总风缸的压缩空气经过减压阀进入撒砂阀，吹动砂子经喷砂嘴喷出，扇形的胶管将砂均匀的撒在机车前进方向车轮踏面下的轨面上。

砂箱装置如图1所示。由于上部砂箱盖和下部底堵及撒砂管等附属部件对整体结构强度影响很小，故对结构做了简化处理。砂箱体与上接板通过连接立柱连接，三角连接板及上接板下部与装向架构架焊接而成。

2  理论基础

强度[4]是零件抵抗破坏的能力，是衡量零件本身承载能力的重要参数。强度准则是衡量结构工作性能最基本的计算准则。强度理论分为两种：第一种是屈服失效，即最大切应力理论和畸变能密度理论;第二种是断裂失效，包括最大拉应力理论和最大伸長线应变理论。

3  有限元计算

3.1 有限元模型的建立

网格划分是有限元分析的基础。单元及节点数目要适当，避免翘曲畸形，对于关键部位的网格单元数目要尽量多一些。考虑到分析的精度及计算机的运行速度，在满足网格要求的前提下，单元及节点的数目尽量少些。网格划分基于workbench，方法采用六面体划分，单元尺寸15mm，节点数78596，单元数17658，网格单元畸变度0.6小于0.85，单元翘曲变形较小，网格质量较好，如图2所示。

3.2 确定计算载荷及边界条件

机车运行时，会受到纵向、垂向、横向的冲击。根据TB 3058-2002[5]标准，加速度载荷及砂箱体结构受到的载荷如表1所示。直观如图3所示。结构约束为三角板面（与构架焊接处）固定约束，限制XYZ方向的平动及转动。

4 ; 有限元计算结果

在表1的工况及约束下，由于箱体与上部结构通过立柱连接，连接处势必会引起应力集中。结构经过有限元计算Von Mises应力为178.8MPa，立柱根部附近的应力变化趋势较明显，但砂箱本体结构的应力变化很小，如图4所示。砂箱结构材料采用结构钢Q345，屈服强度345MPa，[σ]=345/1.51=228.48MPa，许用应力满足强度要求。结构变形最大0.514mm，发生于砂箱体斜板中央处，并且沿着中央向外均匀延展。可在砂箱体内部增加隔板提高结构的刚度，这样变形值可降低。（图5）

5  总结

机车轮对在遇到恶劣自然条件下，轮轨间的粘着系数将大大降低，致使轮对会发生空转，影响机车行车安全。撒砂系统将纯净的砂质喷至踏面处，提高轮轨之间粘着性。本文通过Workbench静态分析得出结构的应力及变形结果。

①根据TB 3058-2002标准确定的加速度工况，确定砂箱受力情况，并根据转向架实际建造结构，确定砂箱的约束位置条件。

②有限元计算后，砂箱Von Mises应力178.8MPa，结构的许用应力228.48MPa，满足强度标准。结构的变形值为0.514mm，位于砂箱外斜面处，可在砂箱内部设置横版以增加结构的刚度。

参考文献：

[1] 鲍维千.机车总体及转向架[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]凌桂龙.ANSYS Workbench从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2014.

[3]陈颖，李东芳，于真真，王海峰.基于Workbench平台参数化建模的橇座优化设计[J].石油化工设备，2012，01：33-35.

[4]滕万秀.高速动车组车体结构强度及动态特性研究[D].西南交通大学，2009.

[5]中华人民共和国铁道部.机车车辆设备冲击和振动试验[S].北京：中国铁道出版社，2002.