北京地鐵14號(hào)線車輪踏面制動(dòng)熱負(fù)荷計(jì)算的分析研究

[摘 要] 文章計(jì)算北京地鐵14號(hào)線新輪（φ840）和磨耗到限車輪（φ770）在踏面摩擦制動(dòng)條件下連續(xù)兩次緊急制動(dòng)和正常運(yùn)營制動(dòng)工況下的車輪熱負(fù)荷，考查摩擦溫度和車輪踏面損傷，對(duì)車輪踏面制動(dòng)熱負(fù)荷進(jìn)行分析和評(píng)估。

[關(guān)鍵詞] 車輪；制動(dòng)；熱負(fù)荷；計(jì)算

[作者簡(jiǎn)介] 張建國，南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司城軌事業(yè)部技術(shù)部，山東 青島，266111

[中圖分類號(hào)] U231 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）03-0017-0002

根據(jù)北京地鐵14號(hào)線車輪踏面制動(dòng)的制動(dòng)參數(shù)及制動(dòng)工況，對(duì)北京地鐵14號(hào)線車輪踏面制動(dòng)熱負(fù)荷進(jìn)行分析和評(píng)估。通過計(jì)算新輪（φ840）和磨耗到限車輪（φ770）在踏面摩擦制動(dòng)條件下連續(xù)兩次緊急制動(dòng)和正常運(yùn)營制動(dòng)工況下的車輪熱負(fù)荷，考查摩擦溫度和車輪踏面損傷（輪軌接觸壓力和熱應(yīng)力共同作用）。計(jì)算軟件為大型通用商業(yè)有限元分析軟件ANSYS，計(jì)算硬件為Dell工作站。

一、計(jì)算模型

（一）有限元模型

計(jì)算模型取單個(gè)車輪帶軸模型，有限元模型中車輪與軸共用節(jié)點(diǎn)，輪徑分別為新輪840mm和磨耗到限車輪770mm，車輪踏面類型為L(zhǎng)M型。車輪采用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元?jiǎng)澐?，新輪?81080個(gè)節(jié)點(diǎn)和163200個(gè)單元組成，磨耗到限車輪由178080個(gè)節(jié)點(diǎn)和160200個(gè)單元組成。

二、評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

（一）溫度評(píng)價(jià)

英國德比研究所對(duì)高磨合成閘瓦車輪研究結(jié)果認(rèn)為，車輪踏面局部溫度超過900℃可能使輪箍斷裂，超過700℃產(chǎn)生明顯裂紋，超過600℃產(chǎn)生允許裂紋，超過400℃不會(huì)產(chǎn)生裂紋，為防止車輪表面產(chǎn)生熱裂紋，要求車輪踏面溫度不得超過600 ℃。[1]我國鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《貨車高摩擦系數(shù)合成閘瓦》（TB/T 2403-2010）[2]要求車輪踏面溫度不得超過400℃，因此，本報(bào)告將根據(jù)合成閘瓦的要求（TB/T 2403-2010）來評(píng)價(jià)車輪最高溫度。

（二）車輪踏面損傷評(píng)價(jià)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，評(píng)價(jià)輪軌赫茲接觸壓力和熱應(yīng)力共同作用引起的車輪損傷，如圖1所示。圖中，橫坐標(biāo)為車輪踏面最大熱應(yīng)力，縱坐標(biāo)為輪軌接觸最大赫茲接觸壓力，區(qū)域A是常用制動(dòng)區(qū)，區(qū)域B是非常用制動(dòng)區(qū)，區(qū)域C是危險(xiǎn)區(qū)。

三、計(jì)算結(jié)果

（一）輪軌赫茲接觸壓力

（二）新輪緊急制動(dòng)

首先，車輛減速制動(dòng)，在制動(dòng)之初，車輛運(yùn)行速度相對(duì)較大，此時(shí)車輪踏面的熱流密度輸入隨著制動(dòng)時(shí)間的增加而增大，且制動(dòng)產(chǎn)生的熱量大于對(duì)流交換的散熱，在這一階段車輪溫度隨著制動(dòng)時(shí)間的增加而升高。隨著速度的減小，車輪踏面的熱流密度輸入減小，當(dāng)車輪表面的對(duì)流交換散熱大于車輪踏面熱流輸入產(chǎn)生的熱量時(shí)，車輪溫度開始降低，這使得車輪踏面溫升峰值出現(xiàn)在車輪制動(dòng)過程中。最高制動(dòng)溫度為199℃，出現(xiàn)在第二次制動(dòng)過程中，該溫度滿足使用要求。

80 km/h新輪連續(xù)兩次緊急制動(dòng)工況中，車輪踏面溫升最高時(shí)，顯著溫升區(qū)主要集中在車輪踏面和輪輞外側(cè)，最大等效熱應(yīng)力出現(xiàn)在車輪踏面（248 MPa），輻板與輪輞交接處以及輻板中部都出現(xiàn)較大的等效熱應(yīng)力。

80 km/h時(shí)新輪連續(xù)兩次緊急制動(dòng)工況中，車輪踏面溫升最高時(shí)，徑向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在車輪輻板與輪輞和輪轂交接部位以及輻板中間內(nèi)凹部位，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在車輪踏面。周向最大壓應(yīng)力也出現(xiàn)在車輪踏面，且其輻板上出現(xiàn)最大周向拉應(yīng)力。

（三）新輪全程制動(dòng)

在全程制動(dòng)過程中，車輪峰值溫度隨制動(dòng)次數(shù)增加而升高，當(dāng)列車通過較長(zhǎng)的站間距時(shí)，空氣對(duì)車輪的熱流交換對(duì)車輪的冷卻效果顯著，踏面峰值溫度將出現(xiàn)明顯下降。計(jì)算結(jié)果表明，在全程運(yùn)行踏面制動(dòng)工況中，車輪踏面最高溫度出現(xiàn)在返程第25次制動(dòng)過程中，其最高溫度為260℃，該溫度滿足使用要求。

80 km/h新輪全程運(yùn)營制動(dòng)工況中，車輪踏面溫升最高時(shí)，最高溫升出現(xiàn)在車輪踏面，輻板與輪輞交接處有明顯溫升，最大等效熱應(yīng)力出現(xiàn)在車輪踏面（294MPa），輻板中部?jī)?nèi)凹部位及靠近輪輞的上半部分應(yīng)力水平也較高。

80 km/h新輪全程運(yùn)營制動(dòng)工況中，車輪踏面溫升最高時(shí)，徑向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在車輪輻板與輪轂及輪輞交接處以及輻板中部?jī)?nèi)凹處。周向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在車輪輻板與輪輞過渡部位外側(cè)以及輻板中部?jī)?nèi)凹處，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在車輪踏面。

（四）磨耗到限車輪緊急制動(dòng)

溫升變化規(guī)律與新輪溫升變化規(guī)律類似。最高制動(dòng)溫度為231℃，出現(xiàn)在第二次制動(dòng)過程中，該溫度滿足使用要求。

80 km/h磨耗到限車輪連續(xù)兩次緊急制動(dòng)工況中，車輪踏面溫升最高時(shí)，顯著溫升區(qū)主要集中在車輪踏面，輪輞與輻板交接處有明顯溫升，最大等效熱應(yīng)力出現(xiàn)在車輪踏面（286 MPa），輻板與輪緣交接處到輻板與輪轂交接處都出現(xiàn)較大的等效熱應(yīng)力。

80 km/h磨耗到限車輪連續(xù)兩次緊急制動(dòng)工況中，車輪踏面溫升最高時(shí)，車輪徑向和周向熱應(yīng)力分布規(guī)律與新輪的類似。

（五）磨耗到限車輪全程制動(dòng)

溫升變化規(guī)律與新輪的類似，最高溫度為287℃，該溫度滿足使用要求。

80 km/h磨耗到限車輪全程運(yùn)營制動(dòng)工況中，車輪踏面溫升最高時(shí)，車輪溫度場(chǎng)分布和等效熱應(yīng)力分布規(guī)律與新輪的類似，輻板溫度較高，最大等效熱應(yīng)力出現(xiàn)在車輪踏面（311 MPa），輻板應(yīng)力水平較高。

80 km/h新輪全程運(yùn)營制動(dòng)工況中，車輪踏面溫升最高時(shí)，徑向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在車輪輻板與輪輞及輪轂過渡部位外側(cè)以及輻板中部?jī)?nèi)凹部位。周向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在車輪輻板中部，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在車輪踏面。

（六）損傷評(píng)價(jià)

表2和圖2給出了以上計(jì)算工況下車輪踏面損傷評(píng)價(jià)。

四、結(jié) 論

本研究計(jì)算的兩種工況即僅踏面制動(dòng)下連續(xù)兩次緊急制動(dòng)和全線往返踏面制動(dòng)，屬于較少發(fā)生的情況，即屬于非常用制動(dòng)（對(duì)應(yīng)于最大熱應(yīng)力評(píng)價(jià)的B區(qū)）。因此，對(duì)于北京地鐵14號(hào)線列車運(yùn)行時(shí)速80 km/h條件下，僅考慮空氣制動(dòng)（即純踏面摩擦制動(dòng)）時(shí)，連續(xù)兩次緊急制動(dòng)和全程運(yùn)營制動(dòng)條件下新輪和磨耗到限車輪均完全滿足踏面最高溫度要求和車輪踏面損傷要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王京波.合成閘瓦對(duì)車輪熱影響的研究[J].鐵道機(jī)車車輛，2003， 23（增刊2）.

[2]中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).貨車高磨合成閘瓦. TB/T 2403-93[S].

[3]金學(xué)松，劉啟躍.輪軌摩擦學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2004.