30 t軸重貨車車輪熱應力分析

向 陽,傅茂海,馬 鵬,劉運兵

(西南交通大學機械工程學院,四川成都610031)

隨著我國經濟的快速發展,對鐵路運輸能力的要求越來越高。提高車輛的運行速度和增加車輛載重是我國鐵道貨物運輸發展的方向。多年的實踐表明:重載運輸是提高鐵路運輸能力的一種有效途徑。

實現重載運輸有兩種基本模式:①擴大列車編組,開行長大貨物列車;②增加軸重,研制大型貨車。而前一種模式受到現有站線長度等客觀條件的限制,因而提高軸重是提高鐵路貨物運輸能力的主要方式,已被許多國家采用。

根據國際重載協會2005年巴西年會的定義,重載貨車的軸重應在27 t以上。目前,國際上貨車的最大軸重已達40 t,而我國重載線路上運行的80 t級運煤專用貨車的軸重為25 t,轉向架采用轉K5、轉K6和轉K7,普通線路上運行的70 t級通用貨車的軸重為23 t,也還有大量的軸重為21 t的D軸貨車仍在使用,使得我國貨車的軸重與世界上重載運輸先進國家相比有較大的差距。

為了進一步提高鐵路貨運能力,我國相關部門正在對發展30 t軸重貨車轉向架可行性進行研究,并研制樣機。對于重載貨車而言,“制動”是一個非常關鍵的問題。目前,由于重載貨車轉向架主要采用三大件模式,受其結構的限制,重載貨車采用的制動方式仍是單側踏面制動。隨著貨物列車速度的提高和軸重的增加,列車的動能也會急劇增加,因而閘瓦和車輪踏面機械摩擦產生的熱量也會大大增加,車輪的熱負荷也會隨之增加。高摩合成閘瓦是重載和提速貨車配套的制動技術,但是由于高摩合成閘瓦導熱性差,車輪在制動過程中要吸收更多的熱量,因而更容易受到熱損傷。

目前,我國貨車車輪的名義直徑為840 mm,能否滿足30 t及以上軸重的運用要求有待進一步研究。加大車輪直徑,可以降低輪軌間的接觸應力、制動時的熱應力和軸承的溫升,提高轉向架的運行穩定性,延長車輪使用壽命,但也會增加簧下質量,對降低輪軌作用力不利。

利用ANSYS有限元軟件,對30 t軸重的兩種輪徑(φ 840 mm和φ 915 mm)的車輪進行緊急制動工況下熱分析仿真,通過分析、比較仿真結果,期望能得出30 t軸重貨車適宜的輪徑值,為我國研制30 t及以上貨車轉向架提供理論參考依據。

1 有限元模型的建立

閘瓦與車輪踏面摩擦產生的熱量為車輪的熱源,任意時刻,熱量通過閘瓦與車輪踏面接觸的部分傳向整個車輪,即車輪踏面與閘瓦的摩擦產生的熱量并不是在車輪圓周上同時產生,但是由于車輪的高速轉動,可以假設熱量在整個車輪踏面圓周上均勻產生,認為熱負荷也是軸對稱的。根據對稱性原則,采用1/2車輪模型進行分析計算。如圖1、圖2所示的兩種輪徑的新輪和磨耗到限車輪的有限元模型。

圖1 φ840 mm新車輪與磨耗到限有限元模型

圖2 φ915 mm新車輪與磨耗到限有限元模型

車輪與車軸通過過盈配合連接,在模型中通過建立接觸對來處理,采用單元 TARGE170和單元 CONTA174建立面—面接觸。在熱分析中采用三維熱實體單元SOLID70進行網格劃分;進行結構分析時,每個SOLID70單元可以被一個等效的三維結構單元SOLID45單元代替。由于在熱模型中,閘瓦與車輪踏面接觸的摩擦面既要受熱又要對流換熱,而在ANSYS中這兩種熱載荷不能同時疊加在同一表面,因而采用表面效應單元SURF152,利用實體單元承受熱流密度,表面效應單元承受對流載荷。此外,計算模型還考慮了熱輻射。

2 模型參數與邊界條件

熱分析的載荷條件:制動初速度v0=120 km/h,緊急制動距離s=1 800 m,軸重M=32.5 t,材料物理參數和機械性能參數見表1。

車輪在制動的過程中溫度場由兩方面因素確定:一是從摩擦表面生成的熱量通過車輪踏面傳給車輪;二是車輪的熱量通過對流和輻射等方式傳給周圍的介質如空氣。

表1 車輪材料常用物理參數和機械性能參數

熱流密度的計算:參照文獻[1,2]采用能量轉化法,只考慮了車輪的熱流密度輸入,即在制動過程中,貨車動能部分轉化為熱能。假設閘瓦與踏面接觸各個點的熱流密度大小相同,且均勻分布,計算公式見(1),η為總熱流密度轉化為車輪熱流密度系數,除去閘瓦分配與熱量損失。

式中 η取0.91;d為車輪直徑,m;l為閘瓦的寬度,m;a為制動加速度,m/s2;Pd(t)為熱生成功率,Sf為閘瓦在踏面掃過的面積,m2;Q(t)為車輪摩擦產生的熱量;n為閘瓦的個數;M為車輛質量,kg;v0為制動初速度。

對流換熱系數:車輪與周圍空氣的熱交換為對流換熱,根據經驗公式[2]:

式中 α為對流換熱系數,W/(m2K);v為車輛運行速度,km/h。

輻射換熱:ANSYS中,輻射換熱主要通過輻射率來體現,根據文獻[3],輻射系數取ε=0.66。

其他邊界條件:在車軸上施加沿軸向和沿徑向零位移約束邊界條件。

3 模擬仿真結果及分析

3.1 溫度場分析

對模型施加載荷及邊界條件后,進行多載荷瞬態熱分析。仿真總時間共110 s(其中包括制動時間90 s和制動后冷卻時間20 s)。經過計算,得到仿真結果。

從圖3—圖6的仿真結果上可以看出,在緊急制動過程中,任意時刻磨耗到限車輪的最高溫度均出現在閘瓦與踏面的摩擦面上。緊急制動開始時,摩擦面上的溫度急劇升高,而后保持平緩上升,再迅速下降。緊急制動結束后,最高溫度值的位置逐漸向輪輞內側偏移。

對于輪徑φ 840 mm和φ 915 mm的新造車輪,從緊急制動開始到制動結束(以及結束后冷卻過程)的整個過程中,輪徑φ 840 mm車輪任意時刻的最高溫度要比φ 915 mm車輪對應時刻的溫度高。制動開始,輪徑φ 840 mm比φ 915 mm高1.5℃;在最高溫度處(均為第40 s)相差18.3℃(最高溫度場云圖見圖3);在制動結束時相差 14.1℃;在制動結束后 20 s則相差11.2℃。兩者溫度場隨時間變化曲線見圖4。

兩種磨耗到限的車輪(輪徑分別為φ 790 mm和φ 865 mm),從緊急制動開始到結束,有和新車輪同樣的結論:即在制動時及制動停止后的整個過程中,輪徑φ 790 mm車輪任意時刻的溫度都比φ865 mm車輪對應時刻的溫度高。在制動開始時刻前者比后者溫度高4.6℃;在最高溫度(兩者在第35 s同時達到最高溫度)前者比后者高23.1℃(兩者最高溫度云圖見圖5);在制動結束時刻則為 20℃;在制動結束后20 s相差19℃。兩者溫度場隨時間變化曲線見圖6。

圖3 輪徑φ840 mm和φ915 mm新造車輪最高溫度云圖

圖4 兩種輪徑新造車輪 溫度場隨時間變化曲線

圖5 輪徑φ840 mm和φ915 mm磨耗到限最高溫度云圖

圖6 兩種輪徑磨耗到限車輪溫度場隨時間變化曲線

3.2 應力場分析

根據上面計算的溫度場的結果,將結果作為初始條件加載,再在軸端施加全位移約束以及對稱面上施加對稱載荷約束。通過求解,得到應力場的結果。

計算結果表明,在制動開始時,踏面處的熱應力最大,隨著制動時間的增加,最大熱應力出現的位置逐漸向輪輞內部偏移。原因在于制動過程中,熱量不斷地在踏面處產生,該處的溫度梯度最高,因而該處的熱膨脹量也是最大的。隨著制動的進行,車輪踏面處的熱量逐漸向車輪內部傳導,盡管踏面處一直有熱量輸入,但最高溫度梯度的位置已不在踏面處,而是移向車輪內部,所以最大熱應力位置也向內部偏移(最后均出現在車輪輻板位置處)。制動結束后,由于沒有熱量輸入,踏面的溫度迅速降低,熱膨脹量大大減小,熱應力也迅速降低。

圖7 φ840 mm和φ915 mm車輪最高應力值時間變化歷程

對于輪徑φ 840 mm和φ915 mm的新造車輪,最大熱應力值隨時間變化歷程見圖7,從圖中可以看出:緊急制動開始到結束的整個過程中,前者的熱應力都高于后者對應時刻的熱應力值。制動開始第1 s,前者比后者高2 MPa;在應力值最高時刻前者比后者高18.1 MPa;在制動停止時刻相差4.1 MPa;在制動停止20 s后則相差9 MPa。

對于兩種輪徑的磨耗到限車輪,最大熱應力值的時間歷程見圖8。從圖中可以得到與上面相同的結論:輪徑φ 790 mm車輪任意時刻最高應力值都比φ865 mm車輪對應時刻高。兩者最高應力值出現在第24 s,分別為 324 MPa和 312 MPa。

圖8 兩種輪徑磨耗到限車輪最高應力值時間變化歷程

根據上面兩種輪徑的車輪的熱應力仿真結果分析可知,在整個制動過程中,兩者的對應時刻的熱應力值的差別不大,即輪徑大小對改善制動過程中熱應力作用不大。

4 輪徑選擇

由于貨車軸重增加后,貨車車輪的熱負荷大大的增加,因此由于制動產生的熱負荷而導致車輪失效的問題也更加嚴重,因而選擇合理的輪徑對發展30 t及以上軸重貨車意義重大。

根據上面對兩種輪徑的計算仿真結果可以看出:兩種輪徑在任意時刻的熱應力值都沒有超出材料的屈服極限值,而且有很大的余量。僅從這個意義上說,30 t軸重貨車車輪輪徑選擇φ 915 mm或者φ 840 mm均可以滿足要求。但在實際運用過程中,機械載荷和熱載荷同時作用,熱機耦合結果有待進一步論證。此外,輪徑的選擇還應綜合考慮更多因素,如輪軌接觸應力、車輪使用壽命、簧下質量等多個因素。

5 結 論

(1)輪徑φ 840 mm新造車輪(磨耗到限)任意時刻的最高溫度值均大于對應時刻φ 915 mm新造車輪(磨耗到限)。

(2)輪徑φ 840 mm新造車輪(磨耗到限)任意時刻最高熱應力值均大于對應時刻φ 915 mm新造車輪(磨耗到限)。

(3)僅從熱應力方面考慮,兩種輪徑的車輪任意時刻熱應力值沒有超出材料屈服極限。

(4)輪徑的差別對于改善停車制動過程中的熱應力狀態作用不大。

(5)借鑒國外重載貨車輪徑的使用經驗,為提高重載貨車車輪壽命,降低熱損傷的概率,建議我國30 t及以上貨車轉向架宜使用直徑為φ 915 mm的車輪。

[1]劉俊紅.重載貨車踏面制動熱響應分析研究[D].成都:西南交通大學,2006,11.

[2]劉 云.提速貨車車輪溫度場及熱應力場的數值模擬[D].北京:北京交通大學,2004.3

[3]齊斐斐,黃運華,李 芾.30 t軸重貨車速度匹配及其輪徑選擇研究[J].鐵道機車車輛,2009,29(4):17-19,51.

[4]梁 雄,盧立麗,伍曉宇.車輪踏面制動的熱-機耦合數值模擬[J].中國制造業信息化,2007,36(5):83-85.

[5]王京波.合成閘瓦對車輪熱影響的研究[J].鐵道機車車輛,2003,23(2):74-79.