基于熱—機耦合的大軸重車(chē)輪踏面制動(dòng)熱負荷仿真分析

第34卷第2期鐵道機車(chē)車(chē)Vol 34 No. 22014年4月RAILWAY LOCOMOTIVE & CARApr.2014文章編號:1008-7842(2014)02-0025-06基于熱一機耦合的大軸重車(chē)輪踏面制動(dòng)熱負荷仿真分析李蘭,常崇義(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心,北京100081)摘要重載列車(chē)車(chē)輪踏面制動(dòng)是…個(gè)復雜的動(dòng)態(tài)接觸熱一機耦合問(wèn)題。文章利用有限元分析軟件 ABAQUS建立了重載車(chē)輪踏面制動(dòng)的瞬態(tài)熱一機耦合有限元模型,對單閘瓦踏面制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了緊急制動(dòng)工況的數值仿真并利用重載貨車(chē)車(chē)輪制動(dòng)熱負荷試驗結果對模型進(jìn)行驗證。利用該模型分析了不同工況下重載車(chē)輪緊急制動(dòng)過(guò)程中的熱負荷及熱應力情況,為研究大軸重車(chē)輪踏面制動(dòng)熱負荷極限和熱損傷問(wèn)題提供了理論技術(shù)支持關(guān)鍵詞大軸重;制動(dòng);熱負荷;熱一機耦合;圓周應力中圖分類(lèi)號:U272文獻標志碼:Adoi:10.3969/.issn.1008-7842.2014.02.06我國重載貨運列車(chē)正朝著(zhù)快速大軸重的方向發(fā)展。形和應力分布對熱傳導的影響,以及瞬態(tài)溫度對結構材在貨車(chē)提速、軸重增加以后,列車(chē)的動(dòng)能急劇增加,制動(dòng)料的影響。車(chē)輪踏面在制動(dòng)過(guò)程中,車(chē)輪產(chǎn)生變形的同時(shí)所產(chǎn)生的熱量也大大增加。我國的重載列車(chē)主要采時(shí)還伴隨著(zhù)溫度的變化。準確分析溫度和應力變化不用車(chē)輪踏面制動(dòng)的形式,在緊急制動(dòng)停車(chē)時(shí),由動(dòng)能轉應把溫度場(chǎng)的求解和應力場(chǎng)的分析分解開(kāi)來(lái),因為除了換成的熱能幾乎全部被摩擦副所吸收。高摩合成閘瓦溫度變化對結構變形和材料性質(zhì)產(chǎn)生影響外,結構變形是重載及提速貨車(chē)配套制動(dòng)技術(shù)之一,由于合成閘瓦導也會(huì )反過(guò)來(lái)改變熱邊界條件,進(jìn)而影響溫度變化。溫度熱性差,因此使用合成閘瓦同采用鑄鐵閘瓦時(shí)相比,車(chē)與位移兩種不同場(chǎng)變量之間存在很強的相互作用輪在制動(dòng)過(guò)程中要吸收更多的熱量,從而更易受到熱損完全的熱一機耦合有限元模型則可以考慮結構變形和傷。2003年王京波使用MARC有限元軟件建立快速貨車(chē)車(chē)輪二維有限元模型,采用數值和試驗方法對合成影響應力分布對熱傳導的影響,以及瞬態(tài)溫度對結構材料的閘瓦對車(chē)輪的熱影響進(jìn)行了研究。2006年西南交通大學(xué)劉俊紅采用三維模型分析了重載車(chē)輪的溫度場(chǎng)和對于熱彈性變形的材料本構關(guān)系為應力場(chǎng)21。但以往的這些車(chē)輪熱負荷計算初始條件都如a+DE(1)在25t軸重以下,一般也沒(méi)有考慮熱載荷和機械載荷相其中,0=T-T,T為當前絕對溫度,T。為初始絕對溫互作用的影響。近年來(lái)的實(shí)踐表明,隨著(zhù)軸重及速度的度。提高,車(chē)輪由于制動(dòng)產(chǎn)生損傷的比例大大增加。在貨物a=(1,1,10,0,0)列車(chē)提速到120km/h,軸重從現在的25t增加到27t,0代表了溫度變化;D為彈性常數;E為應變常數。甚至32.5t時(shí),緊急制動(dòng)工況下,在規定的制動(dòng)距離內β為溫度應力模量停車(chē),所產(chǎn)生的制動(dòng)熱負荷能否滿(mǎn)足車(chē)輪不失效的要=E2/(1-2y)求,以及對車(chē)輪安全性的影響是急需研究和解決的問(wèn)E為材料的楊氏模量;a為熱膨脹系數;γ為泊桑題比1車(chē)輪踏面制動(dòng)的熱一機耦合有限元理論熱傳導的基本能量平衡方程為在車(chē)輪踏面制動(dòng)時(shí),車(chē)輪的溫度場(chǎng)和熱應力場(chǎng)屬于(ac+Bk。-|hd)ddr-rdo=0兩種不同性質(zhì)的物理場(chǎng),相關(guān)的計算涉及到對這兩種物理場(chǎng)的耦合。耦合分析方法分為直接耦合法和間接耦(4)合法。傳統的熱一機分析采用間接耦合分析方法,對于其中,c比熱容,q是物體邊界面上法向的熱流密度,r結構或物體先進(jìn)行熱傳導分析,然后將熱傳導的結果作為物體內部的熱源密度。為邊界條件再進(jìn)行應力分析,這種分析無(wú)法考慮結構變中國煤化工*鐵道部科技項目(」2012J09)CNMHG李蘭(1980-)女,助理研究員(收稿日期:2013-08-28)26鐵道機車(chē)車(chē)輛第34卷通過(guò)物體的熱流密度(通過(guò)單位面積的熱流量)是KL由傅里葉定律控制L-M-E△」L△0△p+△g(t-△)h=-kv6(5)其中k為熱傳導系數;h為熱流密度。其中,0≤ε≤1(21)TPea為熱一機耦合過(guò)程的機械能,在傳統的熱一這里采用更新拉格朗日方法求解熱一機耦合問(wèn)題。機非耦合分析中被忽略。溫度變化<