第31卷第1期鐵道機(jī)車車輛Vol 31 No. 12011年2月RAIL WAY LOCOMOTIVE CARFeb.2011文章編號(hào):1008-7842(2011)01-0013-03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)摘要隨著車輛軸重的不斷提高,車輪所承受的工作載荷顯著增加隨之而來的車輪疲勞壽命下降將直接影響列車的安全運(yùn)行。運(yùn)用有限元分析軟件 ANSYS仿真分析長(zhǎng)大坡道制動(dòng)下車輪的溫度場(chǎng),根據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC510-5-—2003確定計(jì)算載荷,計(jì)算了32.5t軸重車輪在計(jì)算載荷工況下的應(yīng)力場(chǎng)。將多軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力狀態(tài),對(duì)車輪輻板進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)定。關(guān)鍵詞車輪;有限元法;溫度場(chǎng);輻板;疲勞強(qiáng)度中圖分類號(hào):U272文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A鐵路運(yùn)輸以其運(yùn)量大、快速、安全、低耗能及環(huán)保等CL60,材料的性能參數(shù)除彈性模量E、比熱容C、熱膨脹特點(diǎn),已成為世界當(dāng)今和未來主要發(fā)展的運(yùn)輸模式。隨系數(shù)a及屈服極限a,隨溫度變化外,其他參數(shù)基本不著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)鐵路的運(yùn)輸能力要求也變。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)考慮到車輪結(jié)構(gòu)和熱載荷的對(duì)稱性,取車輪的1/2行速度是提高鐵路運(yùn)輸能力、解決運(yùn)能不足的有效途結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,其有限元模型如圖1所示,其由37466徑。近年來,我國(guó)的通用貨車軸重已由21t提高到23個(gè)節(jié)點(diǎn)和41128個(gè)單元組成。溫度場(chǎng)計(jì)算采用 Solid70t,運(yùn)煤專用車提高到25t,為解決鐵路貨運(yùn)能力不足的熱分析單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有節(jié)點(diǎn)溫矛盾發(fā)揮了重要作用取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效度一個(gè)自由度。當(dāng)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí),該單元轉(zhuǎn)換為與益。為進(jìn)一步提高鐵路運(yùn)能,增加貨車的承載能力,提之相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元 Solid45。高車輛的軸重將勢(shì)在必行。為此,國(guó)內(nèi)相關(guān)部門目前正在研究將通用貨車的軸重提高到25t、運(yùn)煤專用車的軸重提高到32.5t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(dòng)方式仍然是踏面制動(dòng),隨著列車速度的提高和軸重的增加,列車的動(dòng)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(huì)大大增加。其結(jié)果將導(dǎo)致車輪熱負(fù)荷的增加,對(duì)車輪的強(qiáng)度及疲勞壽命帶來直接影響在長(zhǎng)大坡道上制動(dòng),由于熱量長(zhǎng)時(shí)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(dòng)和緊急制動(dòng)工作條件更為惡劣。因此,以坡道制動(dòng)下32.5t軸重、制動(dòng)初速為80km/h的車輪為研究對(duì)象對(duì)車輪輻板區(qū)域進(jìn)1車靴有限元模型行疲勞評(píng)定,以驗(yàn)證大軸重車輪的疲勞強(qiáng)度是否滿足要求2計(jì)算載荷工況1計(jì)算模型510-5-2003標(biāo)準(zhǔn),選取以下3個(gè)載荷工根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范和相關(guān)技術(shù)條件,32.5t況:中國(guó)煤化工軸重貨車車輪的輪徑擬定為915mm,車輪材料為CNMHG垂直動(dòng)載荷P1+過岡家科技攴撐項(xiàng)目(編號(hào):2007BAG05B06),中央高校其本科研項(xiàng)目(西交校2009-7)侯耐(1986-)女,河南商丘人,碩士(收稿日期:2010—07-15)鐵道機(jī)車車輛第31卷盈量Δ十角速度十最高溫度載荷。式中L為固體表面尺寸,m;λ為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m(2)曲線運(yùn)行坡道制動(dòng)工況:垂直動(dòng)載荷P2+橫K);Na為謝努爾特?cái)?shù)。向動(dòng)載荷H2十過盈量Δ十角速度十最高溫度載荷0.664Re0.5Prl3(3)道岔通過坡道制動(dòng)工況:垂直動(dòng)載荷P3+橫當(dāng)0.5<<50,Re<5×10(7)向動(dòng)載荷H3十過盈量Δ十角速度十最高溫度載荷。=0.037(Re08-23500)Pr1/22.1機(jī)械載荷的確定當(dāng)0.65×10°P,=1.25P(=1,2,3)其中,Pr為普朗特?cái)?shù),Pr=0.687;Re為雷諾數(shù)H2=0.7P(1)·LH3=0.42P式中Po為輪重。取過盈量△為0.3mm。a。為空氣流動(dòng)速度,m/s;為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度=2.429在不同的載荷工況下,作用于輪軌作用點(diǎn)的載荷對(duì)×10°,m2/s.輻射系數(shù)取值為0.6車輪作用力的方向和位置如圖2所示。3疲勞強(qiáng)度評(píng)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mx,計(jì)算其與結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)線的夾角a(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)力值確定為圖2機(jī)械載荷的位置和方向,如圖3所示2.2熱負(fù)荷確定的邊界條件(4)由最大和最小主應(yīng)力值計(jì)算平均應(yīng)力a和應(yīng)采用能量轉(zhuǎn)換法,列車的動(dòng)能通過閘瓦與車輪踏面力幅a1000的9貨列車制動(dòng)時(shí)間30mm冷卻5mn為計(jì)段。。用修正的 Goodman的摩擦轉(zhuǎn)變成熱能。以SSB型電力機(jī)車雙機(jī)牽引算基礎(chǔ),列車所需總的制動(dòng)力為:F=-{∑[Pm+i)]+G(b"+i)式中λ為動(dòng)力制動(dòng)力使用系數(shù),取0.9;B4為機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)力,取240kN;P,G分別為機(jī)車計(jì)算質(zhì)量和牽引總重,分別為184t和10000t。機(jī)車和車輛的基本阻力分別按式(3)-(4):wb′=2.25+0.0190v+0.000320v2=5.818(3)tb"=0.92+0.0048v+0.0001252=2.104(4)i為下坡道的加算坡度千分?jǐn)?shù),取-9‰。圖3最大、最小計(jì)算主應(yīng)力則熱流密度為:4計(jì)算結(jié)果分析q nsf(5)施加熱負(fù)荷邊界條件后,計(jì)算車輪的溫度場(chǎng),得到式中為車輛運(yùn)行速度,m/n為機(jī)車與車輛的總軸輪中國(guó)煤+飛曲線如圖4所示。菜化數(shù);Sr為車輪旋轉(zhuǎn)一周閘瓦在踏面上掃過的面積制動(dòng)時(shí)間的進(jìn)行而CNMH計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)采用:℃。在冷Nu·λ卻階段,熱流輸入為零,車輪最高溫度下降并逐漸向輻(6)板區(qū)域轉(zhuǎn)移。第1期大軸幣貨車車輪熱負(fù)荷下疲勞強(qiáng)度分析板結(jié)構(gòu)。12080時(shí)閫/min圖4車輪最高溫度曲線圖6車輪輻板最大 von_ Mises應(yīng)力云圖采用間接耦合法,將車輪在制動(dòng)過程中得到的瞬態(tài)溫度場(chǎng)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(shí)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(shì)同溫度走勢(shì)基本一致,在溫度達(dá)到最大值時(shí)也相應(yīng)達(dá)到最大,即制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻達(dá)到最大值200.109MPa,出現(xiàn)在臨近輪轂外圓角處。圖中出現(xiàn)的兩個(gè)小波動(dòng)處,即是隨著制動(dòng)的進(jìn)行,最大 von mises-400熱應(yīng)力出現(xiàn)在輻板的不同區(qū)域圖7車輪輻板區(qū)域節(jié)點(diǎn) Haigh-Goodman曲線在曲線運(yùn)行工況中,只施加機(jī)械載荷的情況下,輻5結(jié)論板區(qū)的最大von_ Mises應(yīng)力為196.158MPa,而聯(lián)合施通過仿真長(zhǎng)大坡道制動(dòng)下32.5t重載貨車車輪在加機(jī)械載荷和熱載荷的情況下,輻板區(qū)的最大von_Mi熱負(fù)荷和機(jī)械載荷的共同作用,對(duì)大軸重車輪危險(xiǎn)位置ses應(yīng)力為235.112MPa,見圖6,均出現(xiàn)在臨近輪輞的的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明:在制動(dòng)熱負(fù)荷單外側(cè)。獨(dú)作用下,車輪踏面溫度隨制動(dòng)過程的進(jìn)行而逐漸增高,并在制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻達(dá)到峰值,同時(shí) 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(xiǎn)區(qū)域,在熱一機(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(gè)載荷工況的計(jì)算載荷作用下,對(duì)輻板區(qū)域進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核0參考文獻(xiàn)時(shí)間/min[1]米彩盈鐵路機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[M].成都:西南交通大圖5車輪輻板最大 vonMises熱應(yīng)力曲線學(xué)出版社,2007[2]劉俊紅歌載貨車踏面制動(dòng)熱響應(yīng)分析研究[D]成都:西按上述給出的疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法對(duì)3個(gè)載荷工況南交通大學(xué),2006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[3] Kncene BC H,etal. Temperature Field, deformation值,計(jì)算得出平均應(yīng)力和應(yīng)力幅,進(jìn)而得到 Haigh形式and Stress of Whole Wrought Wheel Under Different Bra的修正 Goodman曲線如圖7所示。由圖可見,車輪輻king Condition[J]. Foreign Rolling Stock, 1996,(4).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穀過[4]中國(guó)煤化工,R. Sriraman. Thermo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of a rail wheel[J].InHaigh- Goodman疲勞曲線圖的界限,這些節(jié)點(diǎn)的疲勞CNMHGSciences, 1999. (41)強(qiáng)度已不滿足要求。若要保持車輪軸承的基礎(chǔ)上提高487-505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(下轉(zhuǎn)第68頁(yè))鐵道機(jī)車車輛第31卷性變形。為保證輪齒的正確嚙合,在齒輪設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)力約25%有利于高轉(zhuǎn)速性能軸承的選用;同時(shí)轉(zhuǎn)子軸齒輪參數(shù)和齒形(包括齒廓修形與齒向修形)進(jìn)行優(yōu)化彎曲變形降低約50%有利于主動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)和制造。設(shè)計(jì),綜合考慮各工況時(shí)的變形,對(duì)輪齒合理修形,但僅主動(dòng)齒輪在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的簡(jiǎn)支布置更適宜于大能對(duì)一種主要工況進(jìn)行修形設(shè)計(jì),很難保證每個(gè)工況牽功率牽引電機(jī)的使用引齒輪嚙合完全理想,電機(jī)轉(zhuǎn)子軸較大的變形給牽引齒參考文獻(xiàn)輪的設(shè)計(jì)和制造帶來了很大的困難。[1]王秋允,張紅軍,機(jī)車電機(jī)主動(dòng)齒輪軸軸承布置分析通過對(duì)圖6、圖7對(duì)比,采用和諧2型電力機(jī)車齒[J].機(jī)車電傳動(dòng),2007,(1):2224.輪傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)由于轉(zhuǎn)子軸彎曲變形量減少約50%,[2]高培慶,電力機(jī)車異步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)及其應(yīng)用[刀]機(jī)車有利于主動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)和制造,能夠保證每個(gè)工況牽引電傳動(dòng),1998(05—06):2326[3]呂士勇,封全保,劉輝,等.HX2型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架輪齒輪嚙合更趨于合理對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J.機(jī)車電傳動(dòng),2009,(6):6-9.4結(jié)束語(yǔ)[4]李立行,朱恒生,王秀琦,等.高速鐵路機(jī)車牽引齒輪優(yōu)化主動(dòng)齒輪在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的簡(jiǎn)支布置是和諧2型設(shè)計(jì)[J.機(jī)械傳動(dòng),1994,(3,增刊):69-71電力機(jī)車齒輪傳動(dòng)裝置的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn),是一種使作用5]SKF軸承綜合型錄[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版力影響更為合理的結(jié)構(gòu),能夠降低電機(jī)轉(zhuǎn)子端軸承作用Influence of Arrangement of Bearings inTraction Motor on Transmission GearWANG Li-jie, FENG Quan-bao, ZHANG Zhi-heportation Bureau of MOR, Beijing 100844, China;CNR Datong Electric Locomotive Co, Ltd, Datong 037038 Shanxi, ChinaAbstract: In this paper, major arrangement schemes of bearings in traction motor are introductioned. The arrat of bearings intraction motor for Hexie 2 electric locomotive is introductioned, which have the technical features of lower load of motor bearing andlower flexure of pinion shaft, and can be more applicable for high power traction motor.Key words: traction motor: arrangement of bearings, transmission gear: analysis(上接第15頁(yè))[6]鄭紅霞謝基龍周素葭,等.基于有限元仿真車輪多軸疲[5]徐傳來,米彩盈,李芾.基于軸對(duì)稱模型的貨車車輪結(jié)勞強(qiáng)度分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),200933(4):5459構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析[刀交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2008,8(6):20-[7]劉會(huì)英王農(nóng)提速貨車車輪熱負(fù)荷試驗(yàn)研究[J.鐵道車輛,2000,38(4):15-19.Fatigue Strength Analysis of wheel under ThermalLoad for Heavy Axle-load Freight CarsDepartment of Railway Vehicle Engineering. South west Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)Abstract, With the increase of the vehicle axle load, the working loads supported by the wheel are increasing evidently, and then thesafety of the rolling stock will be affected by the decline of the wheel fatigue lifH中國(guó)煤化工was simulated with thefinite element software under long ramp braking, while the calculation loadsnionstandards UIC 510-5-2003, and then the stress field of wheel with 32.5 t aCN MH Gial stress was convted into the uniaxial stress, and then the fatigue strength of the wheel spoke waKey words: wheel; finite element method; temperature field; spoke: fatigue strength