第31卷第1期鐵道機車車輛Vol 31 No. 12011年2月RAIL WAY LOCOMOTIVE CARFeb.2011文章編號:1008-7842(2011)01-0013-03大軸重貨車車輪熱負荷下疲勞強度分析侯耐,李芾(西南交通大學機車車輛工程系,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行。運用有限元分析軟件 ANSYS仿真分析長大坡道制動下車輪的溫度場,根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標準UIC510-5-—2003確定計算載荷,計算了32.5t軸重車輪在計算載荷工況下的應力場。將多軸應力狀態(tài)轉化為單軸應力狀態(tài),對車輪輻板進行疲勞強度評定。關鍵詞車輪;有限元法;溫度場;輻板;疲勞強度中圖分類號:U272文獻標志碼:A鐵路運輸以其運量大、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,已成為世界當今和未來主要發(fā)展的運輸模式。隨系數(shù)a及屈服極限a,隨溫度變化外,其他參數(shù)基本不著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,對鐵路的運輸能力要求也變。越來越高。增大貨車軸重、實現(xiàn)重載運輸、提高貨車運考慮到車輪結構和熱載荷的對稱性,取車輪的1/2行速度是提高鐵路運輸能力、解決運能不足的有效途結構進行分析,其有限元模型如圖1所示,其由37466徑。近年來,我國的通用貨車軸重已由21t提高到23個節(jié)點和41128個單元組成。溫度場計算采用 Solid70t,運煤專用車提高到25t,為解決鐵路貨運能力不足的熱分析單元進行網(wǎng)格劃分,該單元每個節(jié)點只有節(jié)點溫矛盾發(fā)揮了重要作用取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效度一個自由度。當進行應力場計算時,該單元轉換為與益。為進一步提高鐵路運能,增加貨車的承載能力,提之相對應的結構單元 Solid45。高車輛的軸重將勢在必行。為此,國內相關部門目前正在研究將通用貨車的軸重提高到25t、運煤專用車的軸重提高到32.5t的可行性。車輪是機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,車輪的可靠與否關系到整列車的運行安全。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械摩擦而產(chǎn)生的熱量也會大大增加。其結果將導致車輪熱負荷的增加,對車輪的強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)域將產(chǎn)生高應力,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32.5t軸重、制動初速為80km/h的車輪為研究對象對車輪輻板區(qū)域進1車靴有限元模型行疲勞評定,以驗證大軸重車輪的疲勞強度是否滿足要求2計算載荷工況1計算模型510-5-2003標準,選取以下3個載荷工根據(jù)國內現(xiàn)有的技術規(guī)范和相關技術條件,32.5t況:中國煤化工軸重貨車車輪的輪徑擬定為915mm,車輪材料為CNMHG垂直動載荷P1+過岡家科技攴撐項目(編號:2007BAG05B06),中央高校其本科研項目(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為流體導熱系數(shù),W/(m(2)曲線運行坡道制動工況:垂直動載荷P2+橫K);Na為謝努爾特數(shù)。向動載荷H2十過盈量Δ十角速度十最高溫度載荷0.664Re0.5Prl3(3)道岔通過坡道制動工況:垂直動載荷P3+橫當0.5<<50,Re<5×10(7)向動載荷H3十過盈量Δ十角速度十最高溫度載荷。=0.037(Re08-23500)Pr1/22.1機械載荷的確定當0.65×10°P,=1.25P(=1,2,3)其中,Pr為普朗特數(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。為空氣流動速度,m/s;為空氣的運動黏度=2.429在不同的載荷工況下,作用于輪軌作用點的載荷對×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疲勞強度評定方法車輪在計算載荷工況作用下,其應力狀態(tài)為三向應力狀態(tài),而結構產(chǎn)生疲勞裂紋的方向與最大主應力方向相互垂直,由此按下面的方法將多軸應力轉化為單軸應力:(1)確定結構在不同載荷工況作用下的主應力值和方向。(2)將所有載荷工況作用下結構的最大主應力方向確定為基本應力分布方向,其值為最大計算主應力mx,計算其與結構基準線的夾角a(3)將在其他載荷工況作用下的主應力投影到基本應力分布方向上,其投影值最小的應力值確定為圖2機械載荷的位置和方向,如圖3所示2.2熱負荷確定的邊界條件(4)由最大和最小主應力值計算平均應力a和應采用能量轉換法,列車的動能通過閘瓦與車輪踏面力幅a1000的9貨列車制動時間30mm冷卻5mn為計段。。用修正的 Goodman的摩擦轉變成熱能。以SSB型電力機車雙機牽引算基礎,列車所需總的制動力為:F=-{∑[Pm+i)]+G(b"+i)式中λ為動力制動力使用系數(shù),取0.9;B4為機車動力制動力,取240kN;P,G分別為機車計算質量和牽引總重,分別為184t和10000t。機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數(shù),取-9‰。圖3最大、最小計算主應力則熱流密度為:4計算結果分析q nsf(5)施加熱負荷邊界條件后,計算車輪的溫度場,得到式中為車輛運行速度,m/n為機車與車輛的總軸輪中國煤+飛曲線如圖4所示。菜化數(shù);Sr為車輪旋轉一周閘瓦在踏面上掃過的面積制動時間的進行而CNMH計算對流換熱系數(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)域轉移。第1期大軸幣貨車車輪熱負荷下疲勞強度分析板結構。12080時閫/min圖4車輪最高溫度曲線圖6車輪輻板最大 von_ Mises應力云圖采用間接耦合法,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換后的車輪模型上采用命令流的方式,將熱分析結果中的節(jié)點溫度值讀入到結構分析中進行熱應力計算。車輪輻板區(qū)域的最大von_ Mises熱應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熱應力的變化趨勢同溫度走勢基本一致,在溫度達到最大值時也相應達到最大,即制動結束時刻達到最大值200.109MPa,出現(xiàn)在臨近輪轂外圓角處。圖中出現(xiàn)的兩個小波動處,即是隨著制動的進行,最大 von mises-400熱應力出現(xiàn)在輻板的不同區(qū)域圖7車輪輻板區(qū)域節(jié)點 Haigh-Goodman曲線在曲線運行工況中,只施加機械載荷的情況下,輻5結論板區(qū)的最大von_ Mises應力為196.158MPa,而聯(lián)合施通過仿真長大坡道制動下32.5t重載貨車車輪在加機械載荷和熱載荷的情況下,輻板區(qū)的最大von_Mi熱負荷和機械載荷的共同作用,對大軸重車輪危險位置ses應力為235.112MPa,見圖6,均出現(xiàn)在臨近輪輞的的疲勞強度進行分析。分析結果表明:在制動熱負荷單外側。獨作用下,車輪踏面溫度隨制動過程的進行而逐漸增高,并在制動結束時刻達到峰值,同時 von mises熱應力在輻板與輪箍過渡外圓角處達到峰值。輻板是結構的危險區(qū)域,在熱一機耦合載荷的聯(lián)合作用下,輻板在曲線運行工況中 von mises應力最大,且出現(xiàn)在臨近輪輞的外側。在3個載荷工況的計算載荷作用下,對輻板區(qū)域進行疲勞強度校核0參考文獻時間/min[1]米彩盈鐵路機車車輛結構強度[M].成都:西南交通大圖5車輪輻板最大 vonMises熱應力曲線學出版社,2007[2]劉俊紅歌載貨車踏面制動熱響應分析研究[D]成都:西按上述給出的疲勞強度評定方法對3個載荷工況南交通大學,2006的計算結果進行處理,通過 Fortran程序處理節(jié)點應力[3] Kncene BC H,etal. Temperature Field, deformation值,計算得出平均應力和應力幅,進而得到 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)點的應力幅裕量不大甚至輻板與輪穀過[4]中國煤化工,R. Sriraman. Thermo渡圓角區(qū)域的某些節(jié)點的應力均值和應力幅已經(jīng)超出of a rail wheel[J].InHaigh- Goodman疲勞曲線圖的界限,這些節(jié)點的疲勞CNMHGSciences, 1999. (41)強度已不滿足要求。若要保持車輪軸承的基礎上提高487-505結構的疲勞強度,則應該選擇合理的車輪材料,優(yōu)化輻(下轉第68頁)鐵道機車車輛第31卷性變形。為保證輪齒的正確嚙合,在齒輪設計時必須對力約25%有利于高轉速性能軸承的選用;同時轉子軸齒輪參數(shù)和齒形(包括齒廓修形與齒向修形)進行優(yōu)化彎曲變形降低約50%有利于主動齒輪的設計和制造。設計,綜合考慮各工況時的變形,對輪齒合理修形,但僅主動齒輪在電機轉子軸上的簡支布置更適宜于大能對一種主要工況進行修形設計,很難保證每個工況牽功率牽引電機的使用引齒輪嚙合完全理想,電機轉子軸較大的變形給牽引齒參考文獻輪的設計和制造帶來了很大的困難。[1]王秋允,張紅軍,機車電機主動齒輪軸軸承布置分析通過對圖6、圖7對比,采用和諧2型電力機車齒[J].機車電傳動,2007,(1):2224.輪傳動裝置結構由于轉子軸彎曲變形量減少約50%,[2]高培慶,電力機車異步電動機的開發(fā)及其應用[刀]機車有利于主動齒輪的設計和制造,能夠保證每個工況牽引電傳動,1998(05—06):2326[3]呂士勇,封全保,劉輝,等.HX2型電力機車轉向架輪齒輪嚙合更趨于合理對驅動系統(tǒng)[J.機車電傳動,2009,(6):6-9.4結束語[4]李立行,朱恒生,王秀琦,等.高速鐵路機車牽引齒輪優(yōu)化主動齒輪在電機轉子軸上的簡支布置是和諧2型設計[J.機械傳動,1994,(3,增刊):69-71電力機車齒輪傳動裝置的主要結構特點,是一種使作用5]SKF軸承綜合型錄[M].上海:上海科學技術文獻出版力影響更為合理的結構,能夠降低電機轉子端軸承作用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)[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.基于軸對稱模型的貨車車輪結勞強度分析[J].北京交通大學學報,200933(4):5459構疲勞強度分析[刀交通運輸工程學報,2008,8(6):20-[7]劉會英王農(nóng)提速貨車車輪熱負荷試驗研究[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