大軸重貨車車輪熱負(fù)荷下疲勞強(qiáng)度分析*

侯 耐,李 芾

(西南交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程系,四川成都610031)

鐵路運(yùn)輸以其運(yùn)量大、快速、安全、低耗能及環(huán)保等特點(diǎn),已成為世界當(dāng)今和未來主要發(fā)展的運(yùn)輸模式。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對鐵路的運(yùn)輸能力要求也越來越高。增大貨車軸重、實(shí)現(xiàn)重載運(yùn)輸、提高貨車運(yùn)行速度是提高鐵路運(yùn)輸能力、解決運(yùn)能不足的有效途徑。近年來,我國的通用貨車軸重已由21 t提高到23 t,運(yùn)煤專用車提高到25 t,為解決鐵路貨運(yùn)能力不足的矛盾發(fā)揮了重要作用,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。為進(jìn)一步提高鐵路運(yùn)能,增加貨車的承載能力,提高車輛的軸重將勢在必行。為此,國內(nèi)相關(guān)部門目前正在研究將通用貨車的軸重提高到25 t、運(yùn)煤專用車的軸重提高到32.5 t的可行性。

車輪是機(jī)車車輛中走行部的部件之一,其性能直接影響車輛軸重的提高,車輪的可靠與否關(guān)系到整列車的運(yùn)行安全。目前,貨車的制動方式仍然是踏面制動,隨著列車速度的提高和軸重的增加,列車的動能將急劇增大,由車輪踏面和閘瓦之間的機(jī)械摩擦而產(chǎn)生的熱量也會大大增加。其結(jié)果將導(dǎo)致車輪熱負(fù)荷的增加,對車輪的強(qiáng)度及疲勞壽命帶來直接影響。

在長大坡道上制動,由于熱量長時間輸入,在輻板區(qū)域?qū)a(chǎn)生高應(yīng)力,此工況較常用制動和緊急制動工作條件更為惡劣。因此,以坡道制動下32.5 t軸重、制動初速為80 km/h的車輪為研究對象,對車輪輻板區(qū)域進(jìn)行疲勞評定,以驗(yàn)證大軸重車輪的疲勞強(qiáng)度是否滿足要求。

1 計(jì)算模型

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范和相關(guān)技術(shù)條件,32.5 t軸重貨車車輪的輪徑擬定為915 mm,車輪材料為CL60,材料的性能參數(shù)除彈性模量E、比熱容C、熱膨脹系數(shù)α及屈服極限σs隨溫度變化外,其他參數(shù)基本不變。

考慮到車輪結(jié)構(gòu)和熱載荷的對稱性,取車輪的1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,其有限元模型如圖1所示,其由37 466個節(jié)點(diǎn)和41 128個單元組成。溫度場計(jì)算采用Solid70熱分析單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,該單元每個節(jié)點(diǎn)只有節(jié)點(diǎn)溫度一個自由度。當(dāng)進(jìn)行應(yīng)力場計(jì)算時,該單元轉(zhuǎn)換為與之相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元Solid45。

圖1 車輪有限元模型

2 計(jì)算載荷工況

按照UIC 510-5—2003標(biāo)準(zhǔn),選取以下3個載荷工況:

(1)直線運(yùn)行坡道制動工況:垂直動載荷P1+過盈量Δ+角速度+最高溫度載荷。

(2)曲線運(yùn)行坡道制動工況:垂直動載荷P2+橫向動載荷H2+過盈量Δ+角速度+最高溫度載荷。

(3)道岔通過坡道制動工況:垂直動載荷P3+橫向動載荷H3+過盈量Δ+角速度+最高溫度載荷。

2.1 機(jī)械載荷的確定

式中P0為輪重。取過盈量 Δ為0.3 mm。

在不同的載荷工況下,作用于輪軌作用點(diǎn)的載荷對車輪作用力的方向和位置如圖2所示。

圖2 機(jī)械載荷的位置和方向

2.2 熱負(fù)荷確定的邊界條件

采用能量轉(zhuǎn)換法,列車的動能通過閘瓦與車輪踏面的摩擦轉(zhuǎn)變成熱能。以SS4B型電力機(jī)車雙機(jī)牽引10 000 t的貨物列車,制動時間30 min,冷卻5 min為計(jì)算基礎(chǔ),列車所需總的制動力為:

機(jī)車和車輛的基本阻力分別按式(3)—(4):

i為下坡道的加算坡度千分?jǐn)?shù),取-9‰。

則熱流密度為:

式中v為車輛運(yùn)行速度,m/s;n為機(jī)車與車輛的總軸數(shù);Sf為車輪旋轉(zhuǎn)一周閘瓦在踏面上掃過的面積,m2。

計(jì)算對流換熱系數(shù)采用:

式中L為固體表面尺寸,m;λ為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?K);Nu為謝努爾特數(shù)。

其中,Pr為普朗特數(shù),Pr=0.687;Re為雷諾數(shù)。

u∞為空氣流動速度,m/s;υ為空氣的運(yùn)動黏度=2.429×105,m2/s。輻射系數(shù)取值為0.66。

3 疲勞強(qiáng)度評定方法

車輪在計(jì)算載荷工況作用下,其應(yīng)力狀態(tài)為三向應(yīng)力狀態(tài),而結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋的方向與最大主應(yīng)力方向相互垂直,由此按下面的方法將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力:

(1)確定結(jié)構(gòu)在不同載荷工況作用下的主應(yīng)力值和方向。

(2)將所有載荷工況作用下結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力方向確定為基本應(yīng)力分布方向,其值為最大計(jì)算主應(yīng)力σmax,計(jì)算其與結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)線的夾角α。

(3)將在其他載荷工況作用下的主應(yīng)力投影到基本應(yīng)力分布方向上,其投影值最小的應(yīng)力值確定為σmin,如圖3所示。

(4)由最大和最小主應(yīng)力值計(jì)算平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅 σa。

(5)用修正的Goodman疲勞曲線評定結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

圖3 最大、最小計(jì)算主應(yīng)力

4 計(jì)算結(jié)果分析

施加熱負(fù)荷邊界條件后,計(jì)算車輪的溫度場,得到車輪踏面的最高溫度隨時間的變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看到:車輪踏面溫度隨制動時間的進(jìn)行而增大,在制動結(jié)束時刻溫度達(dá)到峰值195.79℃。在冷卻階段,熱流輸入為零,車輪最高溫度下降并逐漸向輻板區(qū)域轉(zhuǎn)移。

圖4 車輪最高溫度曲線

采用間接耦合法,將車輪在制動過程中得到的瞬態(tài)溫度場作為溫度載荷施加到單元轉(zhuǎn)換后的車輪模型上,采用命令流的方式,將熱分析結(jié)果中的節(jié)點(diǎn)溫度值讀入到結(jié)構(gòu)分析中進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算。車輪輻板區(qū)域的最大von_Mises熱應(yīng)力隨時間的變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看到:車輪輻板區(qū)域的最大von_Mises熱應(yīng)力的變化趨勢同溫度走勢基本一致,在溫度達(dá)到最大值時也相應(yīng)達(dá)到最大,即制動結(jié)束時刻達(dá)到最大值200.109 MPa,出現(xiàn)在臨近輪轂外圓角處。圖中出現(xiàn)的兩個小波動處,即是隨著制動的進(jìn)行,最大von_Mises熱應(yīng)力出現(xiàn)在輻板的不同區(qū)域。

在曲線運(yùn)行工況中,只施加機(jī)械載荷的情況下,輻板區(qū)的最大von_Mises應(yīng)力為196.158 MPa,而聯(lián)合施加機(jī)械載荷和熱載荷的情況下,輻板區(qū)的最大von_Mises應(yīng)力為235.112 MPa,見圖6,均出現(xiàn)在臨近輪輞的外側(cè)。

圖5 車輪輻板最大von_Mises熱應(yīng)力曲線

按上述給出的疲勞強(qiáng)度評定方法對3個載荷工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理,通過Fortran程序處理節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值,計(jì)算得出平均應(yīng)力和應(yīng)力幅,進(jìn)而得到Haigh形式的修正Goodman曲線如圖7所示。由圖可見,車輪輻板區(qū)域很多節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅裕量不大,甚至輻板與輪轂過渡圓角區(qū)域的某些節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力均值和應(yīng)力幅已經(jīng)超出Haigh-Goodman疲勞曲線圖的界限,這些節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度已不滿足要求。若要保持車輪軸重的基礎(chǔ)上,提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,則應(yīng)該選擇合理的車輪材料,優(yōu)化輻板結(jié)構(gòu)。

圖6 車輪輻板最大von_Mises應(yīng)力云圖

圖7 車輪輻板區(qū)域節(jié)點(diǎn)Haigh-Goodman曲線

5 結(jié)論

通過仿真長大坡道制動下32.5 t重載貨車車輪在熱負(fù)荷和機(jī)械載荷的共同作用,對大軸重車輪危險位置的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明:在制動熱負(fù)荷單獨(dú)作用下,車輪踏面溫度隨制動過程的進(jìn)行而逐漸增高,并在制動結(jié)束時刻達(dá)到峰值,同時von_Mises熱應(yīng)力在輻板與輪箍過渡外圓角處達(dá)到峰值。輻板是結(jié)構(gòu)的危險區(qū)域,在熱—機(jī)耦合載荷的聯(lián)合作用下,輻板在曲線運(yùn)行工況中von_Mises應(yīng)力最大,且出現(xiàn)在臨近輪輞的外側(cè)。在3個載荷工況的計(jì)算載荷作用下,對輻板區(qū)域進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。

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