大軸重貨車(chē)車(chē)輪熱負荷下疲勞強度分析

第31卷第1期鐵道機車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輪熱負荷下疲勞強度分析侯耐,李芾(西南交通大學(xué)機車(chē)車(chē)輛工程系,四川成都610031)摘要隨著(zhù)車(chē)輛軸重的不斷提高,車(chē)輪所承受的工作載荷顯著(zhù)增加隨之而來(lái)的車(chē)輪疲勞壽命下降將直接影響列車(chē)的安全運行。運用有限元分析軟件 ANSYS仿真分析長(cháng)大坡道制動(dòng)下車(chē)輪的溫度場(chǎng),根據國際鐵路聯(lián)盟標準UIC510-5-—2003確定計算載荷,計算了32.5t軸重車(chē)輪在計算載荷工況下的應力場(chǎng)。將多軸應力狀態(tài)轉化為單軸應力狀態(tài),對車(chē)輪輻板進(jìn)行疲勞強度評定。關(guān)鍵詞車(chē)輪;有限元法;溫度場(chǎng);輻板;疲勞強度中圖分類(lèi)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,材料的性能參數除彈性模量E、比熱容C、熱膨脹特點(diǎn),已成為世界當今和未來(lái)主要發(fā)展的運輸模式。隨系數a及屈服極限a,隨溫度變化外,其他參數基本不著(zhù)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(lái)越高。增大貨車(chē)軸重、實(shí)現重載運輸、提高貨車(chē)運考慮到車(chē)輪結構和熱載荷的對稱(chēng)性,取車(chē)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(jìn)行分析,其有限元模型如圖1所示,其由37466徑。近年來(lái),我國的通用貨車(chē)軸重已由21t提高到23個(gè)節點(diǎn)和41128個(gè)單元組成。溫度場(chǎng)計算采用 Solid70t,運煤專(zhuān)用車(chē)提高到25t,為解決鐵路貨運能力不足的熱分析單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,該單元每個(gè)節點(diǎn)只有節點(diǎn)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(huì )效度一個(gè)自由度。當進(jìn)行應力場(chǎng)計算時(shí),該單元轉換為與益。為進(jìn)一步提高鐵路運能,增加貨車(chē)的承載能力,提之相對應的結構單元 Solid45。高車(chē)輛的軸重將勢在必行。為此,國內相關(guān)部門(mén)目前正在研究將通用貨車(chē)的軸重提高到25t、運煤專(zhuān)用車(chē)的軸重提高到32.5t的可行性。車(chē)輪是機車(chē)車(chē)輛中走行部的部件之一,其性能直接影響車(chē)輛軸重的提高,車(chē)輪的可靠與否關(guān)系到整列車(chē)的運行安全。目前,貨車(chē)的制動(dòng)方式仍然是踏面制動(dòng),隨著(zhù)列車(chē)速度的提高和軸重的增加,列車(chē)的動(dòng)能將急劇增大,由車(chē)輪踏面和閘瓦之間的機械摩擦而產(chǎn)生的熱量也會(huì )大大增加。其結果將導致車(chē)輪熱負荷的增加,對車(chē)輪的強度及疲勞壽命帶來(lái)直接影響在長(cháng)大坡道上制動(dòng),由于熱量長(cháng)時(shí)間輸入,在輻板區域將產(chǎn)生高應力,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(chē)輪為研究對象對車(chē)輪輻板區域進(jìn)1車(chē)靴有限元模型行疲勞評定,以驗證大軸重車(chē)輪的疲勞強度是否滿(mǎn)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(gè)載荷工根據國內現有的技術(shù)規范和相關(guān)技術(shù)條件,32.5t況:中國煤化工軸重貨車(chē)車(chē)輪的輪徑擬定為915mm,車(chē)輪材料為CNMHG垂直動(dòng)載荷P1+過(guò)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(chē)車(chē)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,W/(m(2)曲線(xiàn)運行坡道制動(dòng)工況:垂直動(dòng)載荷P2+橫K);Na為謝努爾特數。向動(dòng)載荷H2十過(guò)盈量Δ十角速度十最高溫度載荷0.664Re0.5Prl3(3)道岔通過(guò)坡道制動(dòng)工況:垂直動(dòng)載荷P3+橫當0.5<<50,Re<5×10(7)向動(dòng)載荷H3十過(guò)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,Pr=0.687;Re為雷諾數H2=0.7P(1)·LH3=0.42P式中Po為輪重。取過(guò)盈量△為0.3mm。a。為空氣流動(dòng)速度,m/s;為空氣的運動(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×10°,m2/s.輻射系數取值為0.6車(chē)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(chē)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(xiàn)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(chē)的動(dòng)能通過(guò)閘瓦與車(chē)輪踏面力幅a1000的9貨列車(chē)制動(dòng)時(shí)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(chē)雙機牽引算基礎,列車(chē)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,取0.9;B4為機車(chē)動(dòng)力制動(dòng)力,取240kN;P,G分別為機車(chē)計算質(zhì)量和牽引總重,分別為184t和10000t。機車(chē)和車(chē)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,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(chē)輪的溫度場(chǎng),得到式中為車(chē)輛運行速度,m/n為機車(chē)與車(chē)輛的總軸輪中國煤+飛曲線(xiàn)如圖4所示。菜化數;Sr為車(chē)輪旋轉一周閘瓦在踏面上掃過(guò)的面積制動(dòng)時(shí)間的進(jìn)行而CNMH計算對流換熱系數采用:℃。在冷N(xiāo)u·λ卻階段,熱流輸入為零,車(chē)輪最高溫度下降并逐漸向輻(6)板區域轉移。第1期大軸幣貨車(chē)車(chē)輪熱負荷下疲勞強度分析板結構。12080時(shí)閫/min圖4車(chē)輪最高溫度曲線(xiàn)圖6車(chē)輪輻板最大 von_ Mises應力云圖采用間接耦合法,將車(chē)輪在制動(dòng)過(guò)程中得到的瞬態(tài)溫度場(chǎng)作為溫度載荷施加到單元轉換后的車(chē)輪模型上采用命令流的方式,將熱分析結果中的節點(diǎn)溫度值讀入到結構分析中進(jìn)行熱應力計算。車(chē)輪輻板區域的最大von_ Mises熱應力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖5所示。從圖5中可以看到:車(chē)輪輻板區域的最大 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(shí)也相應達到最大,即制動(dòng)結束時(shí)刻達到最大值200.109MPa,出現在臨近輪轂外圓角處。圖中出現的兩個(gè)小波動(dòng)處,即是隨著(zhù)制動(dòng)的進(jìn)行,最大 von mises-400熱應力出現在輻板的不同區域圖7車(chē)輪輻板區域節點(diǎn) Haigh-Goodman曲線(xiàn)在曲線(xiàn)運行工況中,只施加機械載荷的情況下,輻5結論板區的最大von_ Mises應力為196.158MPa,而聯(lián)合施通過(guò)仿真長(cháng)大坡道制動(dòng)下32.5t重載貨車(chē)車(chē)輪在加機械載荷和熱載荷的情況下,輻板區的最大von_Mi熱負荷和機械載荷的共同作用,對大軸重車(chē)輪危險位置ses應力為235.112MPa,見(jiàn)圖6,均出現在臨近輪輞的的疲勞強度進(jìn)行分析。分析結果表明:在制動(dòng)熱負荷單外側。獨作用下,車(chē)輪踏面溫度隨制動(dòng)過(guò)程的進(jìn)行而逐漸增高,并在制動(dòng)結束時(shí)刻達到峰值,同時(shí) von mises熱應力在輻板與輪箍過(guò)渡外圓角處達到峰值。輻板是結構的危險區域,在熱一機耦合載荷的聯(lián)合作用下,輻板在曲線(xiàn)運行工況中 von mises應力最大,且出現在臨近輪輞的外側。在3個(gè)載荷工況的計算載荷作用下,對輻板區域進(jìn)行疲勞強度校核0參考文獻時(shí)間/min[1]米彩盈鐵路機車(chē)車(chē)輛結構強度[M].成都:西南交通大圖5車(chē)輪輻板最大 vonMises熱應力曲線(xiàn)學(xué)出版社,2007[2]劉俊紅歌載貨車(chē)踏面制動(dòng)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(gè)載荷工況南交通大學(xué),2006的計算結果進(jìn)行處理,通過(guò) Fortran程序處理節點(diǎn)應力[3] Kncene BC H,etal. Temperature Field, deformation值,計算得出平均應力和應力幅,進(jìn)而得到 Haigh形式and Stress of Whole Wrought Wheel Under Different Bra的修正 Goodman曲線(xiàn)如圖7所示。由圖可見(jiàn),車(chē)輪輻king Condition[J]. Foreign Rolling Stock, 1996,(4).板區域很多節點(diǎn)的應力幅裕量不大甚至輻板與輪穀過(guò)[4]中國煤化工,R. Sriraman. Thermo渡圓角區域的某些節點(diǎn)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(xiàn)圖的界限,這些節點(diǎn)的疲勞CNMHGSciences, 1999. (41)強度已不滿(mǎn)足要求。若要保持車(chē)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(chē)輪材料,優(yōu)化輻(下轉第68頁(yè))鐵道機車(chē)車(chē)輛第31卷性變形。為保證輪齒的正確嚙合,在齒輪設計時(shí)必須對力約25%有利于高轉速性能軸承的選用;同時(shí)轉子軸齒輪參數和齒形(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)齒輪的設計和制造。設計,綜合考慮各工況時(shí)的變形,對輪齒合理修形,但僅主動(dòng)齒輪在電機轉子軸上的簡(jiǎn)支布置更適宜于大能對一種主要工況進(jìn)行修形設計,很難保證每個(gè)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(lái)了很大的困難。[1]王秋允,張紅軍,機車(chē)電機主動(dòng)齒輪軸軸承布置分析通過(guò)對圖6、圖7對比,采用和諧2型電力機車(chē)齒[J].機車(chē)電傳動(dòng),2007,(1):2224.輪傳動(dòng)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(chē)異步電動(dòng)機的開(kāi)發(fā)及其應用[刀]機車(chē)有利于主動(dòng)齒輪的設計和制造,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型電力機車(chē)轉向架輪齒輪嚙合更趨于合理對驅動(dòng)系統[J.機車(chē)電傳動(dòng),2009,(6):6-9.4結束語(yǔ)[4]李立行,朱恒生,王秀琦,等.高速鐵路機車(chē)牽引齒輪優(yōu)化主動(dòng)齒輪在電機轉子軸上的簡(jiǎn)支布置是和諧2型設計[J.機械傳動(dòng),1994,(3,增刊):69-71電力機車(chē)齒輪傳動(dòng)裝置的主要結構特點(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(yè))[6]鄭紅霞謝基龍周素葭,等.基于有限元仿真車(chē)輪多軸疲[5]徐傳來(lái),米彩盈,李芾.基于軸對稱(chēng)模型的貨車(chē)車(chē)輪結勞強度分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,200933(4):5459構疲勞強度分析[刀交通運輸工程學(xué)報,2008,8(6):20-[7]劉會(huì )英王農提速貨車(chē)車(chē)輪熱負荷試驗研究[J.鐵道車(chē)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