查泉波，米彩盈，許東日

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

不同輻板車(chē)輪溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分析

查泉波，米彩盈，許東日

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

分析了5種不同形狀輻板重載貨車(chē)車(chē)輪在長(zhǎng)大坡道中進(jìn)行循環(huán)制動(dòng)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。運(yùn)用ANSYS分別仿真5種不同形狀輻板車(chē)輪僅受溫度場(chǎng)載荷的應(yīng)力場(chǎng)，僅受機(jī)械載荷的應(yīng)力場(chǎng)和前面兩者疊加情況的應(yīng)力場(chǎng)，并比較計(jì)算結(jié)果。分析結(jié)果表明在這3種情況中，S形輻板車(chē)輪綜合能力最好。

不同輻板;重載貨車(chē);溫度場(chǎng);應(yīng)力場(chǎng)

為提高運(yùn)營(yíng)中輪對(duì)的使用可靠性和疲勞壽命，確定整體輾鋼車(chē)輪的合理幾何形狀是其中一個(gè)方向［1］。在相同的情況下，確保車(chē)輪的熱應(yīng)力水平較低，從而保證其工作能力。

由于車(chē)輪與車(chē)軸和鋼軌接觸面的要求，踏面和輪轂的設(shè)計(jì)是幾乎不變的，而輪輞厚度是由車(chē)輪踏面的磨耗量決定的，所以整體輾鋼車(chē)輪合理的結(jié)構(gòu)方案通常都是采用不同的輻板形狀或改變幾何尺寸作為突破口?，F(xiàn)今全球鐵道車(chē)輛采用了多種的輻板類(lèi)型，比如俄羅斯GOST 9036中有詳細(xì)的車(chē)輪外形圖樣和尺寸，其輻板形狀為斜直形輻板;國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪為波形輻板。

近些年我國(guó)不斷提高鐵路運(yùn)輸能力，貨物列車(chē)的速度和軸重都有所增加，但是重載貨車(chē)仍采用踏面制動(dòng)的方式，因此閘瓦和踏面摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)增加，車(chē)輪承受的熱負(fù)荷也會(huì)有所增加。對(duì)不同輻板車(chē)輪進(jìn)行熱分析，比較不同幾何形狀車(chē)輪相應(yīng)的熱應(yīng)力結(jié)果，有利于得到受溫度場(chǎng)影響較小的輻板形狀。

大秦線鐵路地形復(fù)雜，長(zhǎng)大坡道是其最突出的特點(diǎn)，在K143～K190之間有平均坡度為－8.2‰的坡道，在K275～K325之間有平均坡度為－9.1‰的坡道［2］。在仿真計(jì)算中，模擬HXD1+1萬(wàn)t貨車(chē)+HXD2+1萬(wàn)t貨車(chē)的重載組合［3］，25 t軸重貨車(chē)，開(kāi)啟機(jī)車(chē)動(dòng)力制動(dòng)，利用列車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)循環(huán)制動(dòng)進(jìn)行調(diào)速，列車(chē)管減壓量為50 kPa［4］，速度控制在40～80 km/h之間，車(chē)輪材料選擇為CL60鋼。

1 溫度場(chǎng)分析

車(chē)輪瞬態(tài)溫度場(chǎng)可視為無(wú)內(nèi)熱源三維溫度場(chǎng)，其各向同性導(dǎo)熱微分方程為:式中ρ為密度，kg/m3;c為比熱容，J/(kg·K);T為溫度，K;t為時(shí)間，s;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·K)。

車(chē)輪制動(dòng)時(shí)，忽略輪軌摩擦，其初始溫度為環(huán)境溫度，通過(guò)閘瓦與踏面的摩擦，產(chǎn)生大量的熱，車(chē)輪溫度上升，其表面及內(nèi)部發(fā)生傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射換熱，其邊界條件如下確定:

制動(dòng)初始時(shí)間溫度

踏面摩擦部分

全部換熱界面

式中T0為環(huán)境溫度;q為熱流密度，W/m2;n為界面法向單位向量;α為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K);ε為輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K);σ為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，W/(m2·K4)。

1.1 有限元計(jì)算模型

分別對(duì)5種不同輻板車(chē)輪［5］新輪進(jìn)行計(jì)算，車(chē)輪直徑均為840 mm，輻板厚度均在19～25 mm之間，如圖1所示。假設(shè)熱量在車(chē)輪踏面上均勻輸入，則熱負(fù)荷是軸對(duì)稱(chēng)的，因此建立了1/2車(chē)輪模型進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)模型考慮了輪軸之間的過(guò)盈配合。車(chē)輪熱量輸出不僅考慮了對(duì)流，還考慮了熱輻射。

1.2 邊界條件的確定

1.2.1 熱量輸入

車(chē)輪的熱量輸入采用能量轉(zhuǎn)化法，根據(jù)能量守恒定律，假設(shè)列車(chē)的動(dòng)能和重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化成了熱能。本文熱量輸入只考慮了熱流密度，并加載于踏面接觸面上，且假設(shè)其在旋轉(zhuǎn)一周的摩擦表面上均勻分布，則熱流密度計(jì)算公式［6］為:

圖1 車(chē)輪模型

式中q(t)為t時(shí)刻加載于摩擦表面上的熱流密度，W/m2;η為熱量分配系數(shù);m為車(chē)輛質(zhì)量，kg;v0為制動(dòng)初速度，m/s;a為加速度，m/s2;n為閘瓦總數(shù);S為閘瓦在踏面上摩擦的面積，m2;i為坡度。

1.2.2 熱量輸出

熱量輸出主要考慮了對(duì)流和輻射兩個(gè)因素，根據(jù)AAR S－660標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［7］，車(chē)輪靜止時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)h= 22.72 W/(m2·K)，車(chē)輪運(yùn)行時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)h=45.4 W/(m2·K)。因此車(chē)輪在長(zhǎng)大坡道循環(huán)制動(dòng)控制速度過(guò)程中，對(duì)流換熱系數(shù)h應(yīng)取45.4 W/(m2·K)。

輻射換熱q=εσ(T4－T40)，主要通過(guò)輻射率實(shí)現(xiàn)，根據(jù)文獻(xiàn)［8］其值取0.66。

1.3 仿真結(jié)果及分析

采用ANSYS分析，將相同的邊界條件加載于不同輻板類(lèi)型車(chē)輪進(jìn)行仿真，5種車(chē)輪最高溫度云圖和最高溫度隨時(shí)間變化過(guò)程如圖2和圖3所示。

圖2 車(chē)輪最高溫度場(chǎng)

根據(jù)溫度云圖可以得到，最高溫度出現(xiàn)在閘瓦與踏面摩擦面上，S形輻板、波形輻板、直輻板、斜直輻板和盆形輻板車(chē)輪對(duì)應(yīng)的最高溫度分別為236.481℃、234.116℃、235.887℃、234.17℃、235.599℃。根據(jù)圖3所示，5種車(chē)輪最高溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律基本一致，且整個(gè)過(guò)程當(dāng)中其溫度值也幾乎一致，所以不同輻板形狀對(duì)車(chē)輪最高溫度無(wú)明顯影響。

圖3 車(chē)輪最高溫度變化時(shí)間歷程

圖4 最大熱應(yīng)力變化時(shí)間歷程

2 應(yīng)力場(chǎng)分析

2.1 熱應(yīng)力分析

將前面計(jì)算溫度場(chǎng)結(jié)果加載于5種車(chē)輪，在模型對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束，在軸端施加固定位移約束，仿真車(chē)輪僅受溫度場(chǎng)載荷情況。5種車(chē)輪最大熱應(yīng)力節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力隨時(shí)間變化過(guò)程如圖4所示。

根據(jù)最大熱應(yīng)力的時(shí)間歷程圖，可以得到S形輻板、波形輻板、直輻板、斜直輻板和盆形輻板車(chē)輪對(duì)應(yīng)的輻板最大熱應(yīng)力值分別為232.06，364.99，196.11，310.3，263.75 MPa。直輻板車(chē)輪在熱載荷作用下輻板熱應(yīng)力最小，盆形輻板和S形輻板車(chē)輪居中，而斜直輻板和波形輻板車(chē)輪熱應(yīng)力最大，因此單就考慮熱載荷情況下，直輻板的熱負(fù)荷承受能力最好，而波形輻板最差。5種車(chē)輪最大熱應(yīng)力不同程度的隨著溫度的變化而變化，當(dāng)溫度最高時(shí)熱應(yīng)力也達(dá)到最大。循環(huán)制動(dòng)開(kāi)始時(shí)，踏面處熱應(yīng)力最大，因?yàn)橹苿?dòng)初期踏面處溫度迅速升高，未能及時(shí)傳導(dǎo)，溫度梯度較大，產(chǎn)生不同程度的熱膨脹，因而產(chǎn)生拉應(yīng)力。隨著制動(dòng)的持續(xù)，熱量不斷向車(chē)輪內(nèi)部傳導(dǎo)，踏面和輪輞處的溫度已接近，從而產(chǎn)生壓應(yīng)力，但是車(chē)輪內(nèi)部溫度梯度增加，所以最大熱應(yīng)力逐漸向車(chē)輪內(nèi)部移動(dòng)。

2.2 機(jī)械應(yīng)力分析

2.2.1 計(jì)算工況

選取直線運(yùn)行工況、曲線運(yùn)行工況和道岔通過(guò)工況3種工況［9］，載荷施加如圖5所示，在模型對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束，在軸端施加固定位移約束。

圖中P1為直線運(yùn)行工況鋼軌對(duì)車(chē)輪的垂直動(dòng)載荷;P2為曲線運(yùn)行工況鋼軌對(duì)車(chē)輪的垂直動(dòng)載荷;P3為道岔通過(guò)工況鋼軌對(duì)車(chē)輪的垂直動(dòng)載荷;H2為曲線運(yùn)行工況鋼軌對(duì)車(chē)輪的橫向動(dòng)載荷;H3為道岔通過(guò)工況鋼軌對(duì)車(chē)輪的橫向動(dòng)載荷。

2.2.2 車(chē)輪靜強(qiáng)度評(píng)定

圖5 計(jì)算載荷作用位置

為使車(chē)輪滿足靜強(qiáng)度要求，在各種工況下車(chē)輪各個(gè)關(guān)鍵部位的最大von Mises應(yīng)力應(yīng)該小于車(chē)輪材料的許用應(yīng)力［σ］，車(chē)輪材料為CL60鋼，［σ］=418 MPa，von Mises應(yīng)力采用式(6)［10］計(jì)算:

車(chē)輪最大von Mises應(yīng)力及相應(yīng)位置如表1所示，由結(jié)果得出，所有車(chē)輪各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)均滿足靜強(qiáng)度要求。

表1 不同載荷工況最大von Mises應(yīng)力值

2.2.3 疲勞強(qiáng)度評(píng)定

將所有載荷工況作用下最大主應(yīng)力方向確定為基本應(yīng)力方向，其值為最大計(jì)算主應(yīng)力σmax。將其載荷工況下的主應(yīng)力投影到基本應(yīng)力方向上，投影值最小的確定為最小應(yīng)力σmin。由最大和最小主應(yīng)力值計(jì)算平均應(yīng)力為，采用Goodman曲線進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)定，車(chē)輪Haigh－Goodman曲線如圖6所示。

根據(jù)圖6顯示，所有車(chē)輪最大應(yīng)力幅均小于對(duì)應(yīng)許用應(yīng)力幅，車(chē)輪均滿足疲勞強(qiáng)度要求。

2.3 熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用分析

2.3.1 計(jì)算工況

在前面機(jī)械應(yīng)力每種載荷工況的基礎(chǔ)上施加前面計(jì)算得到的溫度場(chǎng)［11］，在模型對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束，

圖6 車(chē)輪輻板區(qū)域Haigh－Goodman疲勞極限圖

在軸端施加固定位移約束。

2.3.2 車(chē)輪靜強(qiáng)度評(píng)定

評(píng)定要求與機(jī)械應(yīng)力車(chē)輪靜強(qiáng)度評(píng)定要求相同，車(chē)輪最大vonMises應(yīng)力及相應(yīng)位置如表2所示。由計(jì)算結(jié)果得出，所有車(chē)輪各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)均滿足靜強(qiáng)度要求。

表2 不同載荷工況最大von Mises應(yīng)力值

車(chē)輪滿足靜強(qiáng)度要求。

波形輻板、斜直形輻板和盆形輻板車(chē)輪受熱應(yīng)力影響較大，當(dāng)加載熱負(fù)荷后，最大von Mises應(yīng)力值都有一定程度的增大，且都出現(xiàn)在熱應(yīng)力最大區(qū)域。直輻板車(chē)輪單獨(dú)承受熱載荷時(shí)，具有較好承載能力，但是當(dāng)重載通過(guò)曲線時(shí)，車(chē)輪輻板應(yīng)力值增大很多。

2.3.3 疲勞強(qiáng)度評(píng)定

評(píng)定要求與機(jī)械應(yīng)力車(chē)輪疲勞強(qiáng)度評(píng)定要求相同。

圖7 車(chē)輪輻板區(qū)域Haigh－Goodman疲勞極限圖

根據(jù)圖7顯示，波形輻板和直輻板車(chē)輪最大應(yīng)力幅均大于對(duì)應(yīng)許用應(yīng)力幅，都不能滿足疲勞強(qiáng)度要求。S形輻板、盆形輻板和斜直形輻板車(chē)輪最大應(yīng)力幅均小于對(duì)應(yīng)許用應(yīng)力幅，都滿足疲勞強(qiáng)度要求。

當(dāng)車(chē)輪加載制動(dòng)熱應(yīng)力后，使得所有車(chē)輪最大應(yīng)力幅σa有明顯增加，所以制動(dòng)熱應(yīng)力在車(chē)輪輻板疲勞強(qiáng)度分析中有明顯影響。波形輻板和直輻板車(chē)輪最大應(yīng)力幅σa增加程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余車(chē)輪的增加程度，因此在加載熱應(yīng)力車(chē)輪的疲勞強(qiáng)度分析中，車(chē)輪輻板的形狀有顯著的影響。綜合承載能力最好的是S形輻板車(chē)輪，不論是單獨(dú)或疊加，均具有較好表現(xiàn)。但是車(chē)輪保持形狀不變，輻板各尺寸改變時(shí)可以一定程度的改變車(chē)輪的承載能力，優(yōu)化輻板形狀還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

通過(guò)ANSYS軟件建立了5種不同輻板新車(chē)輪模型，在相同計(jì)算條件下，可以得出以下結(jié)論:

(1)計(jì)算仿真得到5種車(chē)輪在大秦線K143～K325之間循環(huán)制動(dòng)瞬態(tài)溫度場(chǎng)結(jié)果。S形輻板、波形輻板、直輻板、斜直形輻板和盆形輻板車(chē)輪對(duì)應(yīng)的最高溫度分別為236.481，234.116，235.887，234.17，235.599℃，5種車(chē)輪最高溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律和溫度值基本一致，不同輻板形狀對(duì)車(chē)輪最高溫度無(wú)明顯影響。

(2)單獨(dú)考慮熱載荷情況下，S形輻板、波形輻板、直輻板、斜直輻板和盆形輻板車(chē)輪對(duì)應(yīng)的輻板最大熱應(yīng)力值分別為232.06，364.99，196.11，310.3，263.75 MPa。直輻板車(chē)輪熱負(fù)荷承受能力最好，而波形輻板最差，盆形和S形輻板居中。

(3)單獨(dú)考慮機(jī)械載荷情況下，所有車(chē)輪均能滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求。當(dāng)熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用時(shí)，所有車(chē)輪均能滿足靜強(qiáng)度要求，但是波形輻板和直輻板車(chē)輪最大應(yīng)力幅σa明顯增加且大于相對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力幅，不能滿足疲勞強(qiáng)度要求，所以制動(dòng)熱應(yīng)力在車(chē)輪輻板疲勞強(qiáng)度分析中有明顯影響。

(4)車(chē)輪在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用相對(duì)于機(jī)械應(yīng)力單獨(dú)作用時(shí)，波形輻板和直輻板車(chē)輪最大應(yīng)力幅σa分別增大了58.8%和61.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余車(chē)輪的增加程度，因此在加載熱應(yīng)力車(chē)輪的疲勞強(qiáng)度分析中，車(chē)輪輻板的形狀有顯著的影響。

(5)熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力無(wú)論單獨(dú)或是疊加時(shí)，S形輻板車(chē)輪都有較好的表現(xiàn)，綜合考慮全部情況，S形輻板車(chē)輪的綜合能力最好。

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Research on Temperature and Stress Field of Wheels with Different Plates

ZHA Quanbo，MI Caiying，XU Dongri
(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China)

The temperature and stress field of wheels with different shapes of web plates have been simulated under the condition of long ramp way cycle breaking.The stress field of the five kinds of wheels has been simulated when only the thermal load affects，only the mechanic load affects and both loads affect.The results show that the comprehensive capabilities of wheel with S-shaped web plate is the best.

different shapes of web plates;heavy-haul freight car;temperature field;stress field

U270.331+1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.16

1008－7842(2015)02－0066－06

8—)男，碩士研究生(

2014－10－27)