緊急制動下重載貨車車輪溫度場和應力場分析

袁征　趙越超　張鑫暢

摘 要：本文研究了25噸軸重的重載貨車在緊急制動條件下車輪的瞬態溫度和應力變化情況，建立了HESA型貨車車輪的三維有限元模型，分析了貨車車輪的溫度場和應力場。通過踏面部分加載熱流密度，整體車輪加載對流換熱、熱輻射，得到了緊急制動過程中踏面的溫度和應力的變化趨勢，同時得到了車輪整體最高溫度、最高應力及其各自出現的時間，為車輪的使用壽命和疲勞分析提供了理論基礎。

關鍵詞：鐵路貨車；緊急制動；車輪；溫度場；應力場

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.002

車輪是鐵路貨車走行部的重要組成部件之一，它不但承受著貨車的自重與載重，而且還與鋼軌、閘瓦及環境介質有著非常復雜的作用，承受著極其復雜的應力和踏面制動所產生的熱負荷[1-3]。隨著貨物列車的提速和軸重的增加，特別是25t軸重的貨車車輪的服役運行和貨車運行速度達到120km/h，列車的動能也會急劇上升。由此，依靠閘瓦和車輪踏面的機械摩擦來實現制動，必然在車輪踏面部位產生大量的熱量，這種熱載荷和機械載荷的聯合作用，將使得貨車車輪踏面受到較為嚴重的破壞[4]。因此，對于貨車車輪在踏面制動情況下的溫度場和應力場進行深入研究具有重要的經濟價值和理論意義。

有學者曾經對貨車車輪熱損傷問題進行了研究，并對21t和23t軸重車輪的溫度場和熱應力場進行了模擬計算。王京波曾使用有限元分析軟件MARC建立快速貨車車輪二維有限元模型，并分別用數值方法和實驗方法研究合成閘瓦對車輪的熱影響[5]。劉云曾對提速貨車車輪的溫度場及熱應力場進行了數值模擬，但其模型為二維模型，且只考慮了熱傳導[6]。侯耐在2011年曾對重載貨車踏面制動熱負荷進行了分析研究，對緊急制動工況和長大下坡道制動工況下的溫度場以及熱應力場進行了模擬[7]。等等。

本文從我國鐵道車輛的實際情況出發， 選取了轉K6轉向架所使用的HESA型輾鋼車輪進行建模，全面考慮了現今鐵路貨車不斷向“高速重載”發展的趨勢。通過實際緊急制動過程的模擬分析，得到了車輪所承受的機械載荷和熱載荷，為車輪的疲勞分析提供了理論依據，有利于預防車輪損害，增長車輪使用壽命，減少經濟損失。

1 車輪邊界條件的確定

本文對軸重為25t，制動初速度為120km/h，緊急制動距離為1400m工況下重載貨車踏面制動時車輪溫度場與應力場進行分析。設定車輪的初始整體溫度為20℃。

1.1 熱流密度計算

在本文中，采用能量轉換法。假設列車制動過程中重載貨車的動能全部轉化為熱能，忽略輪軌摩擦熱量輸入，該熱量全部被摩擦的閘瓦和踏面吸收。傳入到踏面的熱量作為熱流密度來處理，即在與閘瓦摩擦的踏面上形成一個周向移動的面熱源。則每輛車在制動過程中閘瓦和車輪踏面間摩擦產生的熱量Q（ t）為：

2 車輪模型的建立

以直徑840mm的 HESA形整體輾鋼車輪為研究對象，假設熱量在整個與閘瓦摩擦的車輪踏面周向上均勻輸入，故車輪受到的載荷是軸對稱的，可建立 1/2 車輪模型，進行簡化計算。之后采用 8 節點六面體單元（ Solid70） 對其進行網格劃分，最終得到的有限元模型單元數量為122430個，節點數量為138080個。

3 車輪溫度場仿真計算

仿真的總時間為265s，其中緊急制動時間為65s，制動后冷卻散熱時間為200s。 從曲線可以看出，制動初始時，與閘瓦接觸的踏面溫度急劇上升，并達到整個仿真過程的最高溫度，其他位置，包括踏面兩側及踏面內部的溫度在摩擦面之后達到峰值；之后隨著制動的結束，各部分溫度開始逐漸下降，由溫度云圖可以看出，最高溫度逐漸向輪輞內部偏移。

分析溫度隨時間變化曲線，可見圖（a）中▲線與圖（b）中◆線溫度相同，此處為踏面表面與閘瓦接觸部分的正中位置，距離踏面外側57mm。一旦制動開始，則此處溫度急劇上升，在30秒左右達到最高溫度160.528℃，對應溫度云圖中踏面紅色的區域。而（a）圖中的●線和╳線對應溫度云圖中踏面橙色的區域，由于他們位于（a）中▲線的兩側，溫度的峰值比最高溫度略低；因為二者與中心線距離相同，所以溫度曲線大致重合。（a）中◆線和■線分布在踏面兩側，故溫度峰值更低，由溫度云圖可見，制動結束后最高溫度逐漸向輪輞內部偏移，故距踏面外側近的◆線較晚達到溫度峰值。分析（b）圖中的各線，因最高溫度逐漸向車輪內部偏移，所以隨著深度的增加，各位置的溫度峰值出現的時間逐漸延后。

在40～60秒，也就是制動過程趨近結束時，車輪各部分大致達到溫度峰值。隨著制動的結束，不同的位置峰值過后，溫度大多有一個急劇下降的過程，最終在接近200秒時整體車輪溫度大致相同，為50℃左右，但摩擦面仍保持整體最高溫度。

4 車輪應力場仿真計算

通過間接耦合法， 將上述溫度載荷施加到重載貨車車輪的模型上，并在對稱面上施加對稱約束，與軸配合處施加固定位移約束，建立相應的載荷步。從曲線可以看出，在制動過程中車輪踏面的熱應力最大，與閘瓦直接接觸的摩擦面出現最大熱應力，踏面兩側以及隨著輪輞深度增加各處的熱應力在摩擦面之后達到峰值；隨著制動過程的結束，車輪整體熱應力迅速減小，由溫度云圖可看出，冷卻過程中最大熱應力逐漸出現在s型輻板的兩個凹槽處。

分析應力隨時間變化曲線，可見圖（a）中■線與圖（b）中■線應力相同，此處為踏面表面與閘瓦接觸部分的正中位置。一旦制動開始，則此處溫度急劇上升，導致該處的熱應力也急劇上升，迅速達到最高應力，時間是30秒，為193.529Mpa，對應應力云圖中踏面紅色的區域。（a）圖中的▲線和◆線由于高溫的影響也能達到較高的熱應力，但由于其分布在摩擦面兩側，所以距最高熱應力值仍有差距。而 （a）中╳線和●線離摩擦面更遠，故應力峰值更低，距踏面內側較近的●線甚至差不多無峰值，而且整條線有抖動的趨勢，說明應力的變化并不平緩。對于（b）圖中的各線，由于最高溫度逐漸向車輪內部偏移，所以熱應力峰值的分布也逐漸向輪輞內移動，隨著深度的增加，各位置的熱應力峰值出現的時間延后，但對于●線，由于距踏面最深，應力變化并不平緩且有凹槽，應力的峰值較早較小。

最終在接近200秒時整體車輪應力大致相同，為40MPa左右，但整體最高熱應力卻由摩擦面轉移到了s型輻板的凹槽處，可見此處為強度薄弱處。

5 結論

（1）車輪的最高溫度值出現在30s，為160.528℃，位于閘瓦與踏面的摩擦面處。

（2）車輪的最大熱應力同樣出現在30秒，位于閘瓦與踏面的摩擦面處，為193.529Mpa，小于該溫度下材料的屈服強度。

（3）制動開始后，踏面溫度和熱應力急劇上升，最高溫度和最大熱應力同時出現在30秒左右的閘瓦與踏面的摩擦面處，可見應重視踏面的疲勞損傷。之后隨著制動結束，車輪整體溫度和熱應力下降，最高溫度向踏面內側偏移，最高熱應力出現在輻板上，但其值都較小。

參考文獻：

[1]李芾，安琪，劉俊紅等.重載貨車車輪溫度場與應力場研究[J]. 系統仿真學報，2010，22（02）：344-347，369.

[2]宋志坤，謝基龍，張勵忠.鑄鋼輪材料在700℃～20℃熱循環下斷裂機制分析[J].鐵道學報，2007，29（02）：141-144.

[3]趙陽春.貨車運用常見故障分析與處理[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[4]藍春紅，吳萌嶺，王勇等.重載貨車踏面制動時車輪溫度場與應力場研究[J]. 鐵道車輛，2011，49（07）：1-5.

[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（02）：74-79.

[6]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.

[7]侯耐.重載貨車車輪踏面制動熱負荷研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[8][美]R.西格爾，J.R.豪厄爾.熱輻射傳熱[M].北京：科學出版社，1990.

項目：本文由國家大學生創新創業訓練計劃項目資助。