基于有限元法機車砂箱結構強度計算分析

趙猛

摘要：機車輪對在遇到惡劣自然條件下，輪軌間的粘著系數將大大降低，致使輪對會發生空轉，影響機車行車安全。撒砂系統的設計有利于提高輪軌之間粘著性。本文以砂箱裝置為研究對象，確定載荷及邊界條件，并基于ANSYS Workbench對結構進行有限元計算。結果表明：砂箱Von Mises應力178.8MPa，低于材料的許用應力，結構不會發生屈服;變形0.514mm，位于砂箱外斜面處。優化設計時，可增加橫版提高結構的剛度。

關鍵詞：冷卻風扇;靜強度;有限元;Workbench

0? 引言

機車動輪在受到污染如水、油和霜雪的鋼軌上啟動或運行時，由于輪軌粘著狀態的惡化，輪對會發生空轉。在緊急制動時，由于制動力較大，車輪往往也會產生滑行?？辙D和滑行會損壞輪軌，影響行車安全。為了改善輪軌的接觸狀態，提高粘著系數，從而提高輪軌蠕滑力，司機應在輪軌接觸處進行撒砂，制止動輪空轉或者滑行，使機車順利啟動和正常運行[1]。

砂箱裝置強度計算采用有限元計算軟件ANSYS Workbench。Workbench軟件[2-3]是ANSYS公司最新推出的工程仿真技術集成平臺。Workbench中結構參數可雙向傳遞、參數數據一鍵自動更新。本文以砂箱裝置為研究對象，根據鐵路行業標準施加載荷及邊界條件，最終在Workbench的靜態分析模塊中仿真計算，得出應力及變形結果云圖，理論校核結構的強度是否滿足標準。

1? 砂箱結構描述

機車上的撒砂系統由砂箱、腳踏開關、手動按鈕、撒砂閥和噴嘴等組成。砂箱安裝在轉向架構架端部的四個角處，每個砂箱裝砂量100KG。當輪軌間發生空轉或遇到天氣狀況不佳需要撒砂時，司機踏腳踏開關或手動操作，來自總風缸的壓縮空氣經過減壓閥進入撒砂閥，吹動砂子經噴砂嘴噴出，扇形的膠管將砂均勻的撒在機車前進方向車輪踏面下的軌面上。

砂箱裝置如圖1所示。由于上部砂箱蓋和下部底堵及撒砂管等附屬部件對整體結構強度影響很小，故對結構做了簡化處理。砂箱體與上接板通過連接立柱連接，三角連接板及上接板下部與裝向架構架焊接而成。

2? 理論基礎

強度[4]是零件抵抗破壞的能力，是衡量零件本身承載能力的重要參數。強度準則是衡量結構工作性能最基本的計算準則。強度理論分為兩種：第一種是屈服失效，即最大切應力理論和畸變能密度理論;第二種是斷裂失效，包括最大拉應力理論和最大伸長線應變理論。

3? 有限元計算

3.1 有限元模型的建立

網格劃分是有限元分析的基礎。單元及節點數目要適當，避免翹曲畸形，對于關鍵部位的網格單元數目要盡量多一些?？紤]到分析的精度及計算機的運行速度，在滿足網格要求的前提下，單元及節點的數目盡量少些。網格劃分基于workbench，方法采用六面體劃分，單元尺寸15mm，節點數78596，單元數17658，網格單元畸變度0.6小于0.85，單元翹曲變形較小，網格質量較好，如圖2所示。

3.2 確定計算載荷及邊界條件

機車運行時，會受到縱向、垂向、橫向的沖擊。根據TB 3058-2002[5]標準，加速度載荷及砂箱體結構受到的載荷如表1所示。直觀如圖3所示。結構約束為三角板面（與構架焊接處）固定約束，限制XYZ方向的平動及轉動。

4?; 有限元計算結果

在表1的工況及約束下，由于箱體與上部結構通過立柱連接，連接處勢必會引起應力集中。結構經過有限元計算Von Mises應力為178.8MPa，立柱根部附近的應力變化趨勢較明顯，但砂箱本體結構的應力變化很小，如圖4所示。砂箱結構材料采用結構鋼Q345，屈服強度345MPa，[σ]=345/1.51=228.48MPa，許用應力滿足強度要求。結構變形最大0.514mm，發生于砂箱體斜板中央處，并且沿著中央向外均勻延展?？稍谏跋潴w內部增加隔板提高結構的剛度，這樣變形值可降低。（圖5）

5? 總結

機車輪對在遇到惡劣自然條件下，輪軌間的粘著系數將大大降低，致使輪對會發生空轉，影響機車行車安全。撒砂系統將純凈的砂質噴至踏面處，提高輪軌之間粘著性。本文通過Workbench靜態分析得出結構的應力及變形結果。

①根據TB 3058-2002標準確定的加速度工況，確定砂箱受力情況，并根據轉向架實際建造結構，確定砂箱的約束位置條件。

②有限元計算后，砂箱Von Mises應力178.8MPa，結構的許用應力228.48MPa，滿足強度標準。結構的變形值為0.514mm，位于砂箱外斜面處，可在砂箱內部設置橫版以增加結構的剛度。

參考文獻：

[1] 鮑維千.機車總體及轉向架[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]凌桂龍.ANSYS Workbench從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2014.

[3]陳穎，李東芳，于真真，王海峰.基于Workbench平臺參數化建模的橇座優化設計[J].石油化工設備，2012，01：33-35.

[4]滕萬秀.高速動車組車體結構強度及動態特性研究[D].西南交通大學，2009.

[5]中華人民共和國鐵道部.機車車輛設備沖擊和振動試驗[S].北京：中國鐵道出版社，2002.