緊急制動下重載貨車車輪溫度場和應(yīng)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(tài)溫度和應(yīng)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(yīng)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(yīng)力的變化趨勢，同時(shí)得到了車輪整體最高溫度、最高應(yīng)力及其各自出現(xiàn)的時(shí)間，為車輪的使用壽命和疲勞分析提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車；緊急制動；車輪；溫度場；應(yīng)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(huán)境介質(zhì)有著非常復(fù)雜的作用，承受著極其復(fù)雜的應(yīng)力和踏面制動所產(chǎn)生的熱負(fù)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(yùn)行和貨車運(yùn)行速度達(dá)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(jī)械摩擦來實(shí)現(xiàn)制動，必然在車輪踏面部位產(chǎn)生大量的熱量，這種熱載荷和機(jī)械載荷的聯(lián)合作用，將使得貨車車輪踏面受到較為嚴(yán)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(yīng)力場進(jìn)行深入研究具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和理論意義。

有學(xué)者曾經(jīng)對貨車車輪熱損傷問題進(jìn)行了研究，并對21t和23t軸重車輪的溫度場和熱應(yīng)力場進(jìn)行了模擬計(jì)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(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)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(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，但其模型為二維模型，且只考慮了熱傳導(dǎo)[6]。侯耐在2011年曾對重載貨車踏面制動熱負(fù)荷進(jìn)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(yīng)力場進(jìn)行了模擬[7]。等等。

本文從我國鐵道車輛的實(shí)際情況出發(fā)， 選取了轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架所使用的HESA型輾鋼車輪進(jìn)行建模，全面考慮了現(xiàn)今鐵路貨車不斷向“高速重載”發(fā)展的趨勢。通過實(shí)際緊急制動過程的模擬分析，得到了車輪所承受的機(jī)械載荷和熱載荷，為車輪的疲勞分析提供了理論依據(jù)，有利于預(yù)防車輪損害，增長車輪使用壽命，減少經(jīng)濟(jì)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(shí)車輪溫度場與應(yīng)力場進(jìn)行分析。設(shè)定車輪的初始整體溫度為20℃。

1.1 熱流密度計(jì)算

在本文中，采用能量轉(zhuǎn)換法。假設(shè)列車制動過程中重載貨車的動能全部轉(zhuǎn)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(gè)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(chǎn)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(shè)熱量在整個(gè)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(jìn)行簡化計(jì)算。之后采用 8 節(jié)點(diǎn)六面體單元（ Solid70） 對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到的有限元模型單元數(shù)量為122430個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為138080個(gè)。

3 車輪溫度場仿真計(jì)算

仿真的總時(shí)間為265s，其中緊急制動時(shí)間為65s，制動后冷卻散熱時(shí)間為200s。 從曲線可以看出，制動初始時(shí)，與閘瓦接觸的踏面溫度急劇上升，并達(dá)到整個(gè)仿真過程的最高溫度，其他位置，包括踏面兩側(cè)及踏面內(nèi)部的溫度在摩擦面之后達(dá)到峰值；之后隨著制動的結(jié)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(nèi)部偏移。

分析溫度隨時(shí)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(cè)57mm。一旦制動開始，則此處溫度急劇上升，在30秒左右達(dá)到最高溫度160.528℃，對應(yīng)溫度云圖中踏面紅色的區(qū)域。而（a）圖中的●線和╳線對應(yīng)溫度云圖中踏面橙色的區(qū)域，由于他們位于（a）中▲線的兩側(cè)，溫度的峰值比最高溫度略低；因?yàn)槎吲c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(cè)，故溫度峰值更低，由溫度云圖可見，制動結(jié)束后最高溫度逐漸向輪輞內(nèi)部偏移，故距踏面外側(cè)近的◆線較晚達(dá)到溫度峰值。分析（b）圖中的各線，因最高溫度逐漸向車輪內(nèi)部偏移，所以隨著深度的增加，各位置的溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸延后。

在40～60秒，也就是制動過程趨近結(jié)束時(shí)，車輪各部分大致達(dá)到溫度峰值。隨著制動的結(jié)束，不同的位置峰值過后，溫度大多有一個(gè)急劇下降的過程，最終在接近200秒時(shí)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(yīng)力場仿真計(jì)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(yīng)的載荷步。從曲線可以看出，在制動過程中車輪踏面的熱應(yīng)力最大，與閘瓦直接接觸的摩擦面出現(xiàn)最大熱應(yīng)力，踏面兩側(cè)以及隨著輪輞深度增加各處的熱應(yīng)力在摩擦面之后達(dá)到峰值；隨著制動過程的結(jié)束，車輪整體熱應(yīng)力迅速減小，由溫度云圖可看出，冷卻過程中最大熱應(yīng)力逐漸出現(xiàn)在s型輻板的兩個(gè)凹槽處。

分析應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，可見圖（a）中■線與圖（b）中■線應(yīng)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(dǎo)致該處的熱應(yīng)力也急劇上升，迅速達(dá)到最高應(yīng)力，時(shí)間是30秒，為193.529Mpa，對應(yīng)應(yīng)力云圖中踏面紅色的區(qū)域。（a）圖中的▲線和◆線由于高溫的影響也能達(dá)到較高的熱應(yīng)力，但由于其分布在摩擦面兩側(cè)，所以距最高熱應(yīng)力值仍有差距。而 （a）中╳線和●線離摩擦面更遠(yuǎn)，故應(yīng)力峰值更低，距踏面內(nèi)側(cè)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(yīng)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(nèi)部偏移，所以熱應(yīng)力峰值的分布也逐漸向輪輞內(nèi)移動，隨著深度的增加，各位置的熱應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間延后，但對于●線，由于距踏面最深，應(yīng)力變化并不平緩且有凹槽，應(yīng)力的峰值較早較小。

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

5 結(jié)論

（1）車輪的最高溫度值出現(xiàn)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(yīng)力同樣出現(xiàn)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(qiáng)度。

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

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項(xiàng)目：本文由國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助。