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[摘 要]膨胀水箱是内燃机车上重要的部件之一，主要有储水、排气、补水、溢水等功能。本文主要介绍了一个膨胀水箱的设计及其强度校核等方面知识。
[关键词]膨胀水箱 设计 强度校核
中图分类号：U231.92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0301-02
1、概述
膨胀水箱在整个循环水系统中发挥着至关重要的作用。首先通过上排水管路上水，机车用水通过主管路可以进入膨胀水箱，直至水箱水位超过溢水管高度时，通过溢水管排出。当机车开始运转时，柴油机和散热器会通过放气管不断的将少量水和气体排放到膨胀水箱中，使柴油机和散热器中没有气体，从而减少水系统中的阻力并提高散热器的冷却效率；同时，膨胀水箱再通过补水管对主管路进行补充，从而保证了水泵前冷却水的压力；当机车停机时，高位水又回到膨胀水箱，膨胀水箱满足了冷却水的存储功能。
2、干式膨胀水箱的设计及难点
在某机车冷却水系统设计中，通过分析计算得出该膨胀水箱的体积，再结合机车整体布局，这么大体积的膨胀水箱需穿过冷却室和动力室间壁安装，而这样安装又牺牲了管路的装配空间，管路装配是不允许U型管，因此相关主管路都必须要从膨胀水箱中穿过。
对于干式膨胀水箱的设计，传统结构主要有两种方案，一种是膨胀水箱参与水系统的循环，而这样做的缺点就是会导致水箱冲刷锈蚀等状况，不利于整个水系统的清洁度要求，也会对整个系统的稳定性提出挑战，优点就是当机车起机时能够保证水泵的泵前水压，还不用布置补水管。另一种方案就是穿过水箱的主管路不让膨胀水箱参与系统循环，这样做的优点就是尽可能的保证系统的稳定性和清洁度，避免了水箱冲刷锈蚀；而缺点就是需要增加补水管，且补水管由于膨胀水箱下底面和水泵上顶点之间距离过短，而膨胀水箱前端面又距离前端面过长，不好布置补水管且补水管不好固定，同时该方案中系统的排气性能也是个难点。以上两种方案经充分比较论证后，决定采用第二种方案并在此基础上改进优化，在膨胀水箱内部设置补水管，以满足水系统运行中的要求，同时在水箱内部管路中增加排气孔，以优化系统的排气性能。初步布置方案确定后，膨胀水箱安装定位及相关管路走向详如图1所示。
下面需要做膨胀水箱的内部结构与系统匹配的优化。因为高低温冷却水分别为柴油机的不同部件冷却，高低温冷却水的温差较大，因此在本套水系统的设计中决定采取高低温分离式冷却。借鉴国外先类似的分离式冷却设计经验，通常在膨胀水箱隔板的下部设置一个通径
10mm左右的平衡孔，但是在本系统中，由于高低温系统中的回水量差别很大，高温约为140L水回到水箱，而中冷部分约为390L水回到水箱，平衡孔通径太小就不能满足机车起机、停机过程中回水量的要求，但是平衡孔过大又会导致机车在运行中高低温冷却水互窜等现象。经综合考虑，决定在机车正常运行时还是采取小平衡孔来作为高低温的平衡，再通过详细计算，在机车正常运行时液面以上部分开大平衡孔，以使在机车正常运行时，高低温冷却水分离式冷却，当机车起机或者停机时，高低温冷却水还可以通过上部平衡孔使膨胀水箱高温水腔部分和低温水腔部分的快速平衡，尽量使机车在运行中减少高低温互窜水引起的换热影响，隔板设计如图2所示。
通过以上各方面考虑后，在膨胀水箱内高低温水管上底部位置左右各开补水孔，并焊接导流管，这样一来可以使膨胀水箱底部的杂质不会进入膨胀水箱，还不影响机车正常运行中的补水功能；同时在主管路顶部设置排气孔，以便系统更好的排气。综上所述，再考虑膨胀水箱的其他功能及其安装、检修、维护、运用等多方面因素后，完成如图3所示膨胀水箱结构。（增加结构安装描述及图片中主要结构件号）
3、干式膨胀水箱的强度校核及有限元分析
3.1干式膨胀水箱有限元模型的建立
该膨胀水箱通过底部安装座和侧面及顶面角钢安装在冷却室间壁上。机车运行时，膨胀水箱需要能承受一定的水压和冲击。膨胀水箱模型见图3.1，主要由水箱主体及安装座组成，近似呈左右对称结构。水箱底部通过6个M16螺栓与安装座连接，水箱顶部及左右两侧通过13个螺栓连接在冷却室间壁上。水箱自重416kg，水箱中水重1100kg。有限元模型见图3.2。使用面单元与实体单元划分网格，共有85364个单元86390个节点。分析使用直角坐标系，X向为机车纵向、Y为横向、Z为垂向。采用基本单位为，毫米（mm）、吨（t）、秒（s），标准重力加速度为9810mm/s2。
水箱钢结构使用Q235材料。材料属性见表2.1。
根据膨胀水箱结构特点及工况要求，其结构强度计算工况详见表3.2。考虑结构横向近似对称，横向工况可简化为单向冲击工况。
膨胀水箱有限元计算边界条件及各工况下加载建模如下图所示。
对应的各工况下等效应力云图如下图。
通过以上应力图分析可以得知，膨胀水箱的结构强度完全符合设计中各工况的需求。
4、结论
本文所述膨胀水箱的设计结构不仅从功能上满足传统膨胀水箱的各种要求，而且其在系统补水和排气结构设计上的创新性，使得其理论上避免了传统干式膨胀水箱存在的冲蚀。此外，该膨胀水箱通过结构上的优化，使机车整个水系统中的管路呈现简单化，提高了机车制造组装效率。同时该创新的膨胀水箱的设计，也为以后其他类似结构的设计，提供了一个参考依据。
参考文献：（参考文献一般填写期刊论文或者教材）
[1] 东风11型内燃机车.中国铁道出版社.1997.
作者简历：
孙春福（1986-），男，助理工程师，2009年毕业于兰州交通大学热能与工程专业，工学学士。现工作于南车戚墅堰机车有限公司产品设计部，主要从事机车辅助系统工作。
[关键词]膨胀水箱 设计 强度校核
中图分类号：U231.92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0301-02
1、概述
膨胀水箱在整个循环水系统中发挥着至关重要的作用。首先通过上排水管路上水，机车用水通过主管路可以进入膨胀水箱，直至水箱水位超过溢水管高度时，通过溢水管排出。当机车开始运转时，柴油机和散热器会通过放气管不断的将少量水和气体排放到膨胀水箱中，使柴油机和散热器中没有气体，从而减少水系统中的阻力并提高散热器的冷却效率；同时，膨胀水箱再通过补水管对主管路进行补充，从而保证了水泵前冷却水的压力；当机车停机时，高位水又回到膨胀水箱，膨胀水箱满足了冷却水的存储功能。
2、干式膨胀水箱的设计及难点
在某机车冷却水系统设计中，通过分析计算得出该膨胀水箱的体积，再结合机车整体布局，这么大体积的膨胀水箱需穿过冷却室和动力室间壁安装，而这样安装又牺牲了管路的装配空间，管路装配是不允许U型管，因此相关主管路都必须要从膨胀水箱中穿过。
对于干式膨胀水箱的设计，传统结构主要有两种方案，一种是膨胀水箱参与水系统的循环，而这样做的缺点就是会导致水箱冲刷锈蚀等状况，不利于整个水系统的清洁度要求，也会对整个系统的稳定性提出挑战，优点就是当机车起机时能够保证水泵的泵前水压，还不用布置补水管。另一种方案就是穿过水箱的主管路不让膨胀水箱参与系统循环，这样做的优点就是尽可能的保证系统的稳定性和清洁度，避免了水箱冲刷锈蚀；而缺点就是需要增加补水管，且补水管由于膨胀水箱下底面和水泵上顶点之间距离过短，而膨胀水箱前端面又距离前端面过长，不好布置补水管且补水管不好固定，同时该方案中系统的排气性能也是个难点。以上两种方案经充分比较论证后，决定采用第二种方案并在此基础上改进优化，在膨胀水箱内部设置补水管，以满足水系统运行中的要求，同时在水箱内部管路中增加排气孔，以优化系统的排气性能。初步布置方案确定后，膨胀水箱安装定位及相关管路走向详如图1所示。
下面需要做膨胀水箱的内部结构与系统匹配的优化。因为高低温冷却水分别为柴油机的不同部件冷却，高低温冷却水的温差较大，因此在本套水系统的设计中决定采取高低温分离式冷却。借鉴国外先类似的分离式冷却设计经验，通常在膨胀水箱隔板的下部设置一个通径
10mm左右的平衡孔，但是在本系统中，由于高低温系统中的回水量差别很大，高温约为140L水回到水箱，而中冷部分约为390L水回到水箱，平衡孔通径太小就不能满足机车起机、停机过程中回水量的要求，但是平衡孔过大又会导致机车在运行中高低温冷却水互窜等现象。经综合考虑，决定在机车正常运行时还是采取小平衡孔来作为高低温的平衡，再通过详细计算，在机车正常运行时液面以上部分开大平衡孔，以使在机车正常运行时，高低温冷却水分离式冷却，当机车起机或者停机时，高低温冷却水还可以通过上部平衡孔使膨胀水箱高温水腔部分和低温水腔部分的快速平衡，尽量使机车在运行中减少高低温互窜水引起的换热影响，隔板设计如图2所示。
通过以上各方面考虑后，在膨胀水箱内高低温水管上底部位置左右各开补水孔，并焊接导流管，这样一来可以使膨胀水箱底部的杂质不会进入膨胀水箱，还不影响机车正常运行中的补水功能；同时在主管路顶部设置排气孔，以便系统更好的排气。综上所述，再考虑膨胀水箱的其他功能及其安装、检修、维护、运用等多方面因素后，完成如图3所示膨胀水箱结构。（增加结构安装描述及图片中主要结构件号）
3、干式膨胀水箱的强度校核及有限元分析
3.1干式膨胀水箱有限元模型的建立
该膨胀水箱通过底部安装座和侧面及顶面角钢安装在冷却室间壁上。机车运行时，膨胀水箱需要能承受一定的水压和冲击。膨胀水箱模型见图3.1，主要由水箱主体及安装座组成，近似呈左右对称结构。水箱底部通过6个M16螺栓与安装座连接，水箱顶部及左右两侧通过13个螺栓连接在冷却室间壁上。水箱自重416kg，水箱中水重1100kg。有限元模型见图3.2。使用面单元与实体单元划分网格，共有85364个单元86390个节点。分析使用直角坐标系，X向为机车纵向、Y为横向、Z为垂向。采用基本单位为，毫米（mm）、吨（t）、秒（s），标准重力加速度为9810mm/s2。
水箱钢结构使用Q235材料。材料属性见表2.1。
根据膨胀水箱结构特点及工况要求，其结构强度计算工况详见表3.2。考虑结构横向近似对称，横向工况可简化为单向冲击工况。
膨胀水箱有限元计算边界条件及各工况下加载建模如下图所示。
对应的各工况下等效应力云图如下图。
通过以上应力图分析可以得知，膨胀水箱的结构强度完全符合设计中各工况的需求。
4、结论
本文所述膨胀水箱的设计结构不仅从功能上满足传统膨胀水箱的各种要求，而且其在系统补水和排气结构设计上的创新性，使得其理论上避免了传统干式膨胀水箱存在的冲蚀。此外，该膨胀水箱通过结构上的优化，使机车整个水系统中的管路呈现简单化，提高了机车制造组装效率。同时该创新的膨胀水箱的设计，也为以后其他类似结构的设计，提供了一个参考依据。
参考文献：（参考文献一般填写期刊论文或者教材）
[1] 东风11型内燃机车.中国铁道出版社.1997.
作者简历：
孙春福（1986-），男，助理工程师，2009年毕业于兰州交通大学热能与工程专业，工学学士。现工作于南车戚墅堰机车有限公司产品设计部，主要从事机车辅助系统工作。