基于有限元法機(jī)車砂箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析

趙猛

摘要：機(jī)車輪對在遇到惡劣自然條件下，輪軌間的粘著系數(shù)將大大降低，致使輪對會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)，影響機(jī)車行車安全。撒砂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算。結(jié)果表明：砂箱Von Mises應(yīng)力178.8MPa，低于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生屈服;變形0.514mm，位于砂箱外斜面處。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可增加橫版提高結(jié)構(gòu)的剛度。

關(guān)鍵詞：冷卻風(fēng)扇;靜強(qiáng)度;有限元;Workbench

0? 引言

機(jī)車動(dòng)輪在受到污染如水、油和霜雪的鋼軌上啟動(dòng)或運(yùn)行時(shí)，由于輪軌粘著狀態(tài)的惡化，輪對會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)。在緊急制動(dòng)時(shí)，由于制動(dòng)力較大，車輪往往也會(huì)產(chǎn)生滑行?？辙D(zhuǎn)和滑行會(huì)損壞輪軌，影響行車安全。為了改善輪軌的接觸狀態(tài)，提高粘著系數(shù)，從而提高輪軌蠕滑力，司機(jī)應(yīng)在輪軌接觸處進(jìn)行撒砂，制止動(dòng)輪空轉(zhuǎn)或者滑行，使機(jī)車順利啟動(dòng)和正常運(yùn)行[1]。

砂箱裝置強(qiáng)度計(jì)算采用有限元計(jì)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(shù)集成平臺(tái)。Workbench中結(jié)構(gòu)參數(shù)可雙向傳遞、參數(shù)數(shù)據(jù)一鍵自動(dòng)更新。本文以砂箱裝置為研究對象，根據(jù)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)施加載荷及邊界條件，最終在Workbench的靜態(tài)分析模塊中仿真計(jì)算，得出應(yīng)力及變形結(jié)果云圖，理論校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。

1? 砂箱結(jié)構(gòu)描述

機(jī)車上的撒砂系統(tǒng)由砂箱、腳踏開關(guān)、手動(dòng)按鈕、撒砂閥和噴嘴等組成。砂箱安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端部的四個(gè)角處，每個(gè)砂箱裝砂量100KG。當(dāng)輪軌間發(fā)生空轉(zhuǎn)或遇到天氣狀況不佳需要撒砂時(shí)，司機(jī)踏腳踏開關(guān)或手動(dòng)操作，來自總風(fēng)缸的壓縮空氣經(jīng)過減壓閥進(jìn)入撒砂閥，吹動(dòng)砂子經(jīng)噴砂嘴噴出，扇形的膠管將砂均勻的撒在機(jī)車前進(jìn)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響很小，故對結(jié)構(gòu)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(gòu)架焊接而成。

2? 理論基礎(chǔ)

強(qiáng)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(shù)。強(qiáng)度準(zhǔn)則是衡量結(jié)構(gòu)工作性能最基本的計(jì)算準(zhǔn)則。強(qiáng)度理論分為兩種：第一種是屈服失效，即最大切應(yīng)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(yīng)力理論和最大伸長線應(yīng)變理論。

3? 有限元計(jì)算

3.1 有限元模型的建立

網(wǎng)格劃分是有限元分析的基礎(chǔ)。單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)目要適當(dāng)，避免翹曲畸形，對于關(guān)鍵部位的網(wǎng)格單元數(shù)目要盡量多一些?？紤]到分析的精度及計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，在滿足網(wǎng)格要求的前提下，單元及節(jié)點(diǎn)的數(shù)目盡量少些。網(wǎng)格劃分基于workbench，方法采用六面體劃分，單元尺寸15mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)78596，單元數(shù)17658，網(wǎng)格單元畸變度0.6小于0.85，單元翹曲變形較小，網(wǎng)格質(zhì)量較好，如圖2所示。

3.2 確定計(jì)算載荷及邊界條件

機(jī)車運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到縱向、垂向、橫向的沖擊。根據(jù)TB 3058-2002[5]標(biāo)準(zhǔn)，加速度載荷及砂箱體結(jié)構(gòu)受到的載荷如表1所示。直觀如圖3所示。結(jié)構(gòu)約束為三角板面（與構(gòu)架焊接處）固定約束，限制XYZ方向的平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)。

4?; 有限元計(jì)算結(jié)果

在表1的工況及約束下，由于箱體與上部結(jié)構(gòu)通過立柱連接，連接處勢必會(huì)引起應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)經(jīng)過有限元計(jì)算Von Mises應(yīng)力為178.8MPa，立柱根部附近的應(yīng)力變化趨勢較明顯，但砂箱本體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化很小，如圖4所示。砂箱結(jié)構(gòu)材料采用結(jié)構(gòu)鋼Q345，屈服強(qiáng)度345MPa，[σ]=345/1.51=228.48MPa，許用應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。結(jié)構(gòu)變形最大0.514mm，發(fā)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(nèi)部增加隔板提高結(jié)構(gòu)的剛度，這樣變形值可降低。（圖5）

5? 總結(jié)

機(jī)車輪對在遇到惡劣自然條件下，輪軌間的粘著系數(shù)將大大降低，致使輪對會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)，影響機(jī)車行車安全。撒砂系統(tǒng)將純凈的砂質(zhì)噴至踏面處，提高輪軌之間粘著性。本文通過Workbench靜態(tài)分析得出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形結(jié)果。

①根據(jù)TB 3058-2002標(biāo)準(zhǔn)確定的加速度工況，確定砂箱受力情況，并根據(jù)轉(zhuǎn)向架實(shí)際建造結(jié)構(gòu)，確定砂箱的約束位置條件。

②有限元計(jì)算后，砂箱Von Mises應(yīng)力178.8MPa，結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力228.48MPa，滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)的變形值為0.514mm，位于砂箱外斜面處，可在砂箱內(nèi)部設(shè)置橫版以增加結(jié)構(gòu)的剛度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鮑維千.機(jī)車總體及轉(zhuǎn)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(xué)出版社，2014.

[3]陳穎，李東芳，于真真，王海峰.基于Workbench平臺(tái)參數(shù)化建模的橇座優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)備，2012，01：33-35.

[4]滕萬秀.高速動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性研究[D].西南交通大學(xué)，2009.

[5]中華人民共和國鐵道部.機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)[S].北京：中國鐵道出版社，2002.