复兴号动车组砂箱结构优化设计

摘要：撒砂系统是通过向轨面投放石英砂增加轮轨间黏着系数的增黏方式，可缩短轮轨黏着系数低时动车组的制动距离。砂箱为存储砂子的部件，其结构直接影响到撒砂及增黏效果。本文主要针对现有复兴号动车组砂箱存在的问题，提出优化设计方向及结果，并对新砂箱结构进行验证。

关键词：动车组；撒砂装置；砂箱；设计优化。

1撒砂装置简介

当轨面存在雨雪、油脂、树叶等杂物时，轮轨间的黏着系数降低，造成动车组制动过程中滑行、制动距离延长及车轮与钢轨的擦伤[1]。撒砂是一种通过向车轮踏面与轨面之间喷撒干燥砂子或其他增黏材料，将被压碎的颗粒镶嵌进入轮轨接触面内，提高轮轨间黏着系数的增黏方式。以其在恶劣工况下的可靠性，广泛运用在国内外动车组上[2]。

撒砂装置主要由撒砂控制箱、砂箱和撒砂单元（集成）、撒砂口等组成。其结构图如图1所示，其中，砂箱和控制箱安装在车体上，砂箱通过吊座安装在车体底架下部的安装梁上，撒砂单元安装在砂箱底部。撒砂口安装于转向架上。撒砂控制箱与车辆总风管连接，通过撒砂供风和干燥供风两根风管向砂箱底部的撒砂单元供风，撒砂单元通过软管和转向架上撒砂口实施撒砂。

撒砂装置激活方式分为手动撒砂和自动撒砂。司机操纵台设置撒砂开关，向前或向后操作撒砂开关发出撒砂指令，撒砂指令发送到列车网络，由列车网络发送到各车制动控制装置，控制前进方向撒砂装置撒砂。当单车制动控制装置检测到严重滑行时，控制本车撒砂装置进行自动撒砂，同时向列车网络发出自动撒砂请求，列车网络接收后向各车制动控制装置发送全列撒砂指令。各车制动控制装置根据列车运行方向，控制撒砂控制箱内撒砂电磁阀，实现全列前进方向自动撒砂。

2砂箱与撒砂单元

砂箱是撒砂装置中用于存储砂子的部件，主要由箱体、撒砂单元、砂箱盖和砂位视窗构成，其结构如图2所示。砂位视窗安装在砂箱的砂箱盖一侧，在砂位视窗上画低砂位线与高砂位线，用于车辆检修维护时观察箱内的砂量，当。砂箱盖安装在砂箱加砂口处，具有过压保护和气密性要求，保证砂箱内的气压平衡。

撒砂供风通过撒砂单元进入砂箱后分成两股气流，其中气流A通过流砂管进入出砂口（带动砂子排出），排出气流B经排气管与气流A在出砂口附近汇合（形成负压区加速砂子排出），在两股气流的综合作用下，将砂子从砂箱内较为顺滑地排出并喷撒至轨面，工作原理图3所示。

3复兴号动车组砂箱结构及存在问题

根据安装位置不同，复兴号CR400AF及CR300AF动车组的砂箱分为A/B/C/D四种类型，其中A砂箱与B砂箱安装在动车组头车，C砂箱与D砂箱安装在动车组中间车上。同一个车轴两侧的砂箱外形镜像对称，其余结构均相同。头车砂箱与中间车砂箱外形如图4所示

目前，复兴号动车组砂箱结构已经成熟且应用多年。但复兴号动车组砂箱在运用过程中，进行车辆检修时，检查砂量显示窗显示砂量正常，而实际砂箱内砂量较少，如图5所示撒砂测试出砂量少甚至不出砂，加砂后复测出砂量正常。这可能导致车辆滑行时，因无法撒砂导致轮轨黏着无法及时恢复，车辆制动距离延长。

通过砂箱结构分析，因砂箱底部倾角较大，较为平缓，同时石英砂流动性差，导致远离出砂口的石英砂不能流出，滞留在砂箱内。另外砂箱视窗面积小，易被滞留的石英砂遮挡，造成视窗显示砂位与实际的砂位不一致，示意图如图6。

4砂箱结构设计优化

4.1设计优化目标

在地面搭建1：1试验台，进行头车砂箱、中间车砂箱撒砂功能、性能测试，提出优化砂箱的优化目标如下：

1）优化砂箱形状，减少砂箱内砂子残留，砂箱内砂子的残留量应不大于砂箱有效容积的10%；。

2）增大砂位视窗面积，并重新划定砂位刻度线，保证砂箱在最低砂位线时砂箱内的最少出砂量，设定标准为在低压撒砂时，自低砂位线累计出砂量应不小于7L。

4.2设计优化成果

1）砂箱倾角：增大砂箱下部倾角。根据撒砂地面台架试验，测试砂子静态最小流砂角度约38°，动态（车上振动状态）最小流砂角度约34°。优化后砂箱下部采用锥型结构，上部采用圆柱型结构，头车砂箱锥度为37.6～71°，中间车砂箱倾角为35～45°。满足石英砂小流砂角度要求，减少砂箱内砂子残余量。

2）砂位视窗改为沿砂箱曲面设置，增加视窗宽度。头尾车砂箱注砂口位置高于砂箱高砂位线。头尾车砂箱、中间车砂箱砂位视窗增大，有利于砂位检查。

3）重新划定砂位刻度线。砂箱高砂位线对应35L，低砂位线对应18.2L。

头车与中间车砂箱结构后外形如图7所示。

4.3设计验证

对优化后砂箱静强度、疲劳强度进行有限元仿真计算，计算结果表明：头尾车砂箱静强度工况材料最大利用率为0.36，疲劳强度工况材料最大利用率为0.40；中间车砂箱静强度工况材料最大利用率为0.23，疲劳强度工况材料最大利用率为0.26，静强度、疲劳强度均满足材料屈服及疲劳强度要求。

对优化后的砂箱高低砂位线对应砂量、动态低砂位撒出砂量、动态剩余砂量要求，在地面1：1试验台进行试验验证。头尾车砂箱试验结果如表1所示，试验结果满足要求。

5总结

对复兴号动车组砂箱结构进行优化后，砂箱底部倾角满足动态流砂要求，砂箱内残留砂子减小；增大砂位视窗与重新划定砂位线后，通过砂位视窗观察到的砂位与砂箱内实际砂位基本一致。新结构的砂箱在运用考核期间，撒砂装置检修时撒砂量均保持正常，挺高了动车组在轮轨黏着低工况下的安全性。

参考文献

[1] 申鹏，王文健，张鸿斐，等。撒砂对轮轨粘着特性的影响[J]， 机械工程学报，2010，46（16）：74-78.

[2] 王志龙， 王磊. 撒砂装置在动车组上的应用[J]. 黑龙江科技信息， 2016（34）：20-21.