基于Marc的輪軌溫度場(chǎng)仿真分析

王棟，劉亮亮，石瑩

（1.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連116013；2.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧272073；3.大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116000）

0 引言

隨著列車速度的不斷提高，人們對(duì)于它的安全性、平穩(wěn)性及舒適性也有了更高的要求。鐵路的發(fā)展不僅僅體現(xiàn)在速度上，承載能力也是另一種發(fā)展形勢(shì)。在發(fā)展過程中，由于速度和承載能力的提高，列車的輪軌經(jīng)常發(fā)生破壞，在列車輪軌的破壞形式中，熱損傷時(shí)常發(fā)生，這是由于在一定時(shí)間內(nèi)，列車的制動(dòng)力和牽引力高于許用值[1]。軌道和車輪之間產(chǎn)生的摩擦熱不僅會(huì)對(duì)輪軌造成多種形式的損壞，所產(chǎn)生的噪聲污染還對(duì)列車的舒適性及人類的生活產(chǎn)生很大影響[2]。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)輪軌研究過程中，列車的車輪和軌道的接觸問題是其中的要點(diǎn)，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，車輪和軌道之間的接觸狀態(tài)不斷發(fā)生著變化，并且輪軌的傳動(dòng)方式本身就是比較復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)變化，所以在對(duì)輪軌材料的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí)，需要對(duì)多種工況下的輪軌接觸狀態(tài)進(jìn)行研究才能使研究結(jié)果更加精準(zhǔn)[3]。近些年來，數(shù)值仿真技術(shù)快速發(fā)展，為許多非線性問題的研究提供了便利。

本文從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真分析兩部分入手，分析載荷、速度和摩擦因數(shù)對(duì)于輪軌溫度場(chǎng)的影響。對(duì)比仿真值和實(shí)驗(yàn)值，驗(yàn)證有限元仿真分析方法解決復(fù)雜非線性摩擦學(xué)問題的可行性。

1 輪軌摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)過程

輪軌摩擦磨損實(shí)驗(yàn)使用MRH-5A高速環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檩嗆壞Σ猎囼?yàn)存在較大的難度，所以根據(jù)輪軌的材料，使用環(huán)-塊摩擦的方式進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)來代替車輪與軌道摩擦副的運(yùn)動(dòng)方式。

在試驗(yàn)中試件塊和試件環(huán)接觸，保證塊不動(dòng)而環(huán)相對(duì)試驗(yàn)塊做圓周運(yùn)動(dòng)，利用傳感器對(duì)環(huán)-塊接觸表面之間的溫度、載荷大小、摩擦因數(shù)及相對(duì)滑動(dòng)速度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，最后由電腦來輸出數(shù)據(jù)。對(duì)于試驗(yàn)中試件的溫度變化，利用熱電偶傳感器來測(cè)量溫度的變化規(guī)律，試驗(yàn)的工作原理圖如圖1所示。

試件塊采用軌道的常用材料CL65 (珠光體組織)。為了考慮材料的因素，因此環(huán)試件采用2種不同的車輪材料，分別為AB1(貝氏體組織)和U75V(珠光體組織)。

在試驗(yàn)中，通過設(shè)定不同載荷和相對(duì)滑動(dòng)速度，利用摩擦磨損試驗(yàn)獲得不同工況下的摩擦因數(shù)。設(shè)置載荷大小為100、150、200 N，對(duì)于環(huán)形試件設(shè)置它的速度為180、240、300 r/min，根據(jù)3種載荷及3種相對(duì)滑動(dòng)速度的組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將時(shí)間設(shè)定為180 s，試驗(yàn)環(huán)境溫度設(shè)定為20℃。由于本次試驗(yàn)采用干摩擦的方式，不添加潤(rùn)滑油，因此試驗(yàn)前需要用石油醚溶液除去試件表面的雜質(zhì)。然后利用HR-05超強(qiáng)激光焊機(jī)，將熱電偶焊接在試塊的底面上來測(cè)量溫度。試驗(yàn)的連接方式如圖2所示。

圖1 工作原理圖

1.2 試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)

在試驗(yàn)結(jié)束后，利用試驗(yàn)機(jī)自身的測(cè)控軟件可以得到輪軌摩擦磨損的摩擦因數(shù)值和摩擦因數(shù)的變化曲線，圖3是法向載荷為100 N、轉(zhuǎn)速為240 r/min時(shí)的摩擦因數(shù)變化曲線，其它工況下的摩擦因數(shù)變化曲線參照?qǐng)D3。

圖3 100 N、240 r/min 時(shí)的摩擦因數(shù)曲線圖

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器連接

由圖3可以看出，摩擦因數(shù)是在某一個(gè)范圍內(nèi)上下波動(dòng)的，但整體相對(duì)平穩(wěn)。由于在輪軌摩擦的過程中會(huì)出現(xiàn)黏著現(xiàn)象和相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象，因此摩擦因數(shù)會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。在進(jìn)行不同工況的實(shí)驗(yàn)中，使用測(cè)控軟件計(jì)算各工況的平均摩擦因數(shù)，視平均摩擦因數(shù)為該工況下的摩擦因數(shù)。表1、表2分別為試件塊材料為AB1和U75V時(shí)各個(gè)不同工況下的摩擦因數(shù)值。

表1 試件塊材料為AB1時(shí)不同工況的摩擦因數(shù)

表2 試件塊材料為U75V時(shí)不同工況的摩擦因數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用高速溫度采集器可以得到各個(gè)工況下的溫度變化情況及數(shù)據(jù)。圖4是試件環(huán)材料為U75V、轉(zhuǎn)速為300 r/min、法向載荷為200 N時(shí)的溫度變化規(guī)律，而圖5是試件環(huán)材料為AB1、轉(zhuǎn)速為240 r/min、載荷為200 N時(shí)的溫度變化規(guī)律。

圖4 材料U75V 在200 N、300 r/min 時(shí)的溫度變化

圖5 材料AB1 在200 N、240 r/min 時(shí)的溫度變化

由于本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)較多，因此對(duì)各個(gè)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，每隔1.8 s處理一次數(shù)據(jù)并取平均值，去掉干擾值，可以得到該時(shí)刻下的溫度值。將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，對(duì)比分析不同材料、不同載荷及不同速度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

當(dāng)試件塊材料為CL65，試件環(huán)材料為AB1時(shí)：

1）分析載荷為100、150、200 N時(shí)不同轉(zhuǎn)速對(duì)溫度場(chǎng)的影響，如圖6～圖8所示。

圖6 載荷100 N 時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響

圖7 載荷150 N 時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響

圖8 載荷200 N 時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響

2）分析轉(zhuǎn)速為180、240、300 r/min時(shí)不同載荷對(duì)溫度場(chǎng)的影響，如圖9～圖11所示。

圖9 轉(zhuǎn)速180 r/min 時(shí)載荷對(duì)溫度的影響

圖10 轉(zhuǎn)速240 r/min 時(shí)載荷對(duì)溫度的影響

圖11 轉(zhuǎn)速300 r/min 時(shí)載荷對(duì)溫度的影響

當(dāng)試件塊材料為CL65，試件環(huán)材料為U75V時(shí)：

1）分析載荷為100、150、200 N時(shí)不同轉(zhuǎn)速對(duì)溫度場(chǎng)的影響，如圖12～圖14所示。

圖12 載荷100 N 時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響

2）分析轉(zhuǎn)速為180、240、300 r/min時(shí)，不同載荷對(duì)溫度場(chǎng)的影響，如圖15～圖17所示。

從圖中可以得到，當(dāng)載荷一定時(shí)，溫度幅值隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，溫度變化的速度也隨轉(zhuǎn)速的變大而變快；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，溫度幅值隨載荷的增大而增大，溫度變化的速度也隨載荷的變大而變快。

圖13 載荷150 N 時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響

圖14 載荷200 N 時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響

圖15 轉(zhuǎn)速180 r/min 時(shí)載荷對(duì)溫度的影響

圖16 轉(zhuǎn)速240 r/min 時(shí)載荷對(duì)溫度的影響

圖17 轉(zhuǎn)速300 r/min 時(shí)載荷對(duì)溫度的影響

2 仿真分析

仿真分析使用的是非線性有限元軟件MSC.MARC。環(huán)-塊試件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以直接用MSC.MENTAT進(jìn)行前處理建模、劃分網(wǎng)格(對(duì)塊試件的接觸區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃分)、對(duì)材料屬性進(jìn)行定義。結(jié)合摩擦磨損實(shí)驗(yàn)材料要求：上試件塊采用軌道所用材料(珠光體組織)；下試件環(huán)采用車輪材料，分別為AB1(貝氏體組織)和U75V(珠光體組織)。

依照所選用的輪軌材料摩擦副的幾何參數(shù)創(chuàng)建的模型如圖18所示，其中共包括1800個(gè)單元和2640個(gè)節(jié)點(diǎn)；建立完成的上試件塊的三維有限元模型如圖19所示，其中共包括34 360個(gè)單元和41 025個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖18 接觸方式示意圖

圖19 接觸方式示意圖

2.1 摩擦熱流量和對(duì)流換熱系數(shù)

輪軌接觸過程中，伴隨著相對(duì)滑動(dòng)，接觸表面會(huì)互相擠壓，從而會(huì)產(chǎn)生摩擦熱。這個(gè)情況會(huì)導(dǎo)致溫度升高，因此在分析過程中需要考慮摩擦熱所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)并確定環(huán)-塊的摩擦熱流量。環(huán)-塊摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過程中，試件塊被實(shí)驗(yàn)臺(tái)夾具固定，則試件塊的四周和空氣之間的換熱情況是自然換熱。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，把對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)定為0.12 W/（mm2·K）。有限元軟件MARC中，設(shè)置的摩擦熱流量和對(duì)流換熱系數(shù)如圖20、圖21所示，不同工況下的摩擦熱流量是不同的，環(huán)境溫度與實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度保持一致，設(shè)定為20 ℃。

圖20 摩擦熱流量設(shè)定

環(huán)塊摩擦磨損實(shí)驗(yàn)之中，根據(jù)輪軌材料做成的摩擦副的接觸方式是線接觸，如圖22所示。

在仿真過程中，需要對(duì)試件塊模型相應(yīng)的單元進(jìn)行接觸設(shè)定。例如當(dāng)試件塊(CL65)與下試件環(huán)(AB1)之間的法向載荷為100 N時(shí)，接觸單元示意如圖23所示。

圖21 對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)定

圖22 接觸方式示意圖

圖23 接觸單元示意圖

2.2 仿真結(jié)果分析

依照輪軌材料摩擦磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在仿真模擬中把塊模型的仿真時(shí)間設(shè)為180 s，仿真模擬步數(shù)設(shè)成100，每次仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過后處理將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄并保存，用于與在相同工況下的輪軌材料摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比。

在本次摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中，下試件環(huán)的溫度不易測(cè)出，主要將上試件塊溫度的實(shí)驗(yàn)值與仿真值相對(duì)比，所以對(duì)于環(huán)模型的仿真實(shí)驗(yàn)來說，在這里只展示環(huán)模型旋轉(zhuǎn)一周的溫度場(chǎng)云圖變化，則將環(huán)模型的仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)間根據(jù)轉(zhuǎn)速來設(shè)定，即：當(dāng)轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，將仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為0.33 s；當(dāng)轉(zhuǎn)速為240 r/min時(shí)，將仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為0.25 s；當(dāng)轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，將仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為0.2 s；根據(jù)環(huán)模型的網(wǎng)格劃分情況，將步數(shù)設(shè)定為60，從而進(jìn)行環(huán)模型的仿真實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)試件塊材料為CL65，試件環(huán)材料為AB1時(shí)：

1）當(dāng)載荷為150 N、轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，環(huán)模型旋轉(zhuǎn)一周的溫度場(chǎng)云圖如圖24所示，并且取環(huán)模型中編號(hào)為1445的節(jié)點(diǎn)來分析溫度變化情況。相同工況下，塊模型的溫度場(chǎng)云圖如圖25所示。

2）當(dāng)載荷為150 N、轉(zhuǎn)速為420 r/min時(shí)，塊模型的溫度場(chǎng)云圖如圖26所示。

當(dāng)試件塊材料為CL65，試件環(huán)材料為CL65時(shí)：

圖24 試件環(huán)溫度場(chǎng)

圖25 試件塊溫度場(chǎng)云圖

圖26 試件塊溫度場(chǎng)云圖

圖27 試件環(huán)溫度場(chǎng)云圖

圖28 試件塊溫度場(chǎng)云圖

圖29 試件塊溫度場(chǎng)云圖

圖30 試件塊溫度場(chǎng)云圖

1）當(dāng)載荷為200 N、轉(zhuǎn)速為240 r/min時(shí)，環(huán)模型旋轉(zhuǎn)一周的溫度場(chǎng)云圖如圖27所示，并且取環(huán)模型中編號(hào)為1402的節(jié)點(diǎn)來分析溫度變化情況。相同工況下，塊模型的溫度場(chǎng)云圖如圖28所示。

2）當(dāng)載荷為150 N、轉(zhuǎn)速為360 r/min時(shí)，塊模型的溫度場(chǎng)云圖如圖29所示。

3）當(dāng)載荷為300 N、轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，塊模型的溫度場(chǎng)云圖如圖30所示。

從圖中可以看出，環(huán)模型的溫度場(chǎng)為瞬態(tài)溫度場(chǎng)，相對(duì)于摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中下試件環(huán)的旋轉(zhuǎn)方向，仿真模擬得出的溫度場(chǎng)云圖的變化與其吻合；在與塊模型瞬間接觸摩擦?xí)r，接觸面中心溫度最高，向四周慢慢減小，這是由于離接觸面越遠(yuǎn)，所受到的摩擦熱影響越弱，因此溫度會(huì)慢慢降低。

塊模型的溫度由摩擦接觸面向模型四周逐漸擴(kuò)散，接觸面溫度最高，隨著與摩擦接觸面距離變遠(yuǎn)，溫度值逐漸減小，這是由于中心接觸面受到摩擦熱的影響強(qiáng)導(dǎo)致。

3 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

根據(jù)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，通過熱電偶在上試件塊底面焊接的位置，確定仿真模型中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，用仿真軟件中的測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量，并確定節(jié)點(diǎn)編號(hào)為4885。使用MARC軟件中的后處理功能，保存節(jié)點(diǎn)在不同工況下的溫度值。對(duì)比相同工況的實(shí)驗(yàn)值和仿真值。

環(huán)模型 (AB1) 與塊模型(CL65)在不同工況下的仿真值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比如圖31所示。

將得到的數(shù)值進(jìn)行整理，如表3所示。

環(huán)模型 (U75V) 與塊模型(CL65)在不同工況下的仿真值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比如圖32所示。

將對(duì)比值進(jìn)行整理，如表4所示。

通過以上對(duì)比值可以得出，在不同工況下，仿真溫升值與實(shí)驗(yàn)溫升值大小很接近，誤差均在5%以內(nèi)，從而證明了環(huán)-塊摩擦副仿真模型的正確性，驗(yàn)證了有限元仿真分析方法解決復(fù)雜非線性摩擦學(xué)問題的可行性，為輪軌材料溫度場(chǎng)分析提供了摩擦學(xué)理論依據(jù)；當(dāng)相同材料環(huán)與試件塊摩擦并且載荷相同時(shí)，溫升值隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大；當(dāng)相同材料環(huán)與試件塊摩擦并且轉(zhuǎn)速相同時(shí)，溫升值隨著載荷的增加而增加。

圖31 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

表3 實(shí)驗(yàn)值和仿真值對(duì)比

圖32 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

表4 仿真值和理論值對(duì)比

4 結(jié)論

1）將輪軌材料CL65(軌道材料)、AB1(車輪材料)及U75V(車輪材料)設(shè)定為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，制成環(huán)-塊摩擦副，利用MRH-5A環(huán)塊磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行環(huán)-塊磨損實(shí)驗(yàn)，考慮到材料性能、接觸面所受載荷、相對(duì)滑動(dòng)速度及摩擦因數(shù)的影響，得出了不同材料在不同工況下對(duì)磨產(chǎn)生的溫度變化值及變化曲線圖。

2）將從實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上讀取出的摩擦因數(shù)對(duì)比后得知，當(dāng)相同材料在相同轉(zhuǎn)速下對(duì)磨時(shí)，摩擦因數(shù)隨接觸面正壓力的增大而增大。

3）通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)值，利用有限元軟件MARC對(duì)環(huán)-塊仿真模型進(jìn)行仿真分析，比較仿真模型的溫升值與實(shí)驗(yàn)溫升值，得到的誤差在5%以內(nèi)，證明有限元仿真分析方法是可以解決復(fù)雜非線性摩擦學(xué)問題的，為輪軌材料溫度場(chǎng)分析提供了摩擦學(xué)理論依據(jù)。

本文對(duì)輪軌材料摩擦?xí)r的溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比，其中有很多方面需要進(jìn)一步的研究：本文采用的摩擦因數(shù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)讀取出來的，針對(duì)的材料是CL65(軌道材料)、AB1(車輪材料)及U75V(車輪材料)，具有一定的局限性，對(duì)于研究輪軌材料的溫度場(chǎng)變化情況還需要對(duì)更多的摩擦副材料進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，選擇合適的實(shí)驗(yàn)條件。