准高速内燃机车车轮热应力分析

摘要：在轴对称模型基础上，本文运用ANSYS软件分别模拟计算了内燃机车轮箍式车轮组装应力，列车制动时因摩擦热而引起的应力，并模拟计算在不同过盈量组合下轮箍式车轮因过盈装配而引起的组装应力和列车制动时引起的热应力，并得出相应的结论，为确定车轮过盈量、组装工艺，了解机车运用中轮对工作状况提供了依据。

关键词：组装应力；热应力；轮对；有限元法；ANSYS

中图分类号：TU275.1 文献标识码:A

1前言

由于铁路运输方式具有运载量大、运行速度高、能耗少、运输成本低等优点，因此铁路运输对促进地区经济的发展，改善地区间商业和贸易，以及带动整个国家经济发展都起到相当重要的作用。现场实际调查证明，轮轨滚动接触疲劳强度与寿命是决定列车运行可靠性的主要因素。目前国际上还不能解决控制、预测高速列车轮/轨滚动接触疲劳、磨损与寿命方面的技术问题。由于高速重载列车轮/轨相互作用工况比普通列车恶劣，所引起的材料疲劳循环应力在单位时间内次数远远超过普通列车，势必缩短车轮与钢轨的使用寿命。所以轮轨磨损、疲劳等造成的严重缺陷引起了各国铁路部门的高度重视，世界各国都在研究如何提高列车速度、增加货车运载量、确保列车运行平稳、安全性等方面都投入了大量的人力和物力。

2ANSYS中轮对工作应力的计算

在模拟计算过程中轮对材料全部采用20CrMn碳素钢，在制动期间，由于车轮转速快且车轮是轴对称的，我们在车轮踏面一周上加一个固定的热流密度。

2.1轮箍式车轮

2.1.1 组装应力：在这个模型中我们以车轴过盈量为0.325mm，轮芯过盈量为1.2mm建立模型，选择4node

182和轴对称为分析模型，并选择大变形静力分析，对车轮的轴线施加X方向的约束，车轮的轴的下边施加Y方向的约束。求解前关闭自动时间步，Time at end load step处填上100，Number of sub steps处填上1，进行ANSYS计算，结果如图1、2所示。

（2）制动摩擦热作用下应力计算：在模型中以车轴过盈量为0.325mm，轮芯过盈量为1.2mm建立模型，选择Vector Quad 13为单元类型，并以轴对称为分析类型，选择大变形静力分析，对轮对的轴线方向和轴的下边施加固定约束；在轮芯、车轴及轮箍上与空气的接触部位施加对流载荷，对流系数为22.713，环境温度设为30℃；在轮子的踏面部位施加热流密度为2826.3的热流载荷。求解前设置求解控制器，Time at end load step处填上300，Number of sub steps处填上30，Max no of sub steps处填100，Min no of sub steps处填0，然后计算。

2.2 整体式车轮

（1）组装应力:我们以车轴与车轮的过盈量为0.325mm建立模型，划分自由网格，并在车轴的轴线方向和下边施加固定约束，然后通过ANSYS求解。

（2）制动摩擦作用下的应力计算：我们以车轴与车轮的过盈量为0.325mm建立模型，在车轴的轴线方向和下边施加固定约束，在车轴、车轮与空气接触的部位施加对流载荷，踏面部位施加热流载荷。然后通过ANSYS求解。

3 轮箍式车轮不同过盈量配合的工作应力的计算

通过ANSYS模拟计算了在不同过盈量组合下轮箍式车轮的因过盈装配引起的的组装应力和列车在制动时因摩擦热而引起的应力，并且通过Excel拟合出了不同过盈量组合下过盈量与位移、应力、温度、热流量、热梯度等的关系，为确定车轮过盈量、组装工艺，了解机车运用中轮对工作状况提供了依据。

数据分析有三种情况：车轴的过盈量变化，轮芯的过盈量保持为1.2mm；轮芯的过盈量变化，车轴的过盈量保持为0.325mm；车轴与轮芯的过盈量同时达到极值。

3.1组装应力的计算与分析

从图3可以看出，随着车轴过盈量的逐渐增加，径向位移也随之增加，但这种规律是在材料的弹性范围内的发生的，如果材料超过了屈服极限，则材料发生塑性变形，这种增加规律则不存在了。而从图4可以看出随着车轴过盈量的增加，组装应力也随之增加，而且增加率不定，是随着车轴过盈量的不停变化而变化。

3.2列车制动时热应力的计算与分析

从图5以看出接触面间的应力随着车轴过盈量的增加几乎成线性增加，因此在进行设计过盈量时不应取得太大否则就会在接触面上出现塑性变形，而使所取过盈量失效。从图6车轴过盈量与热载荷之间没有关系，分析结果几乎为直线，其中有些波动，我们可以使用接触对的关系将温度向下传递。

4 结论

在本文中分别对轮箍式和整体式车轮工作应力进行了计算，还对综合考虑轮箍式车轮在不同过盈装配下的组装应力及摩擦热同时存在的情况进行了模拟计算，并将模拟计算所得的数据用Excel拟合成对应的曲线，并对其进行相应分析，得出以下结论：

通过分析组装接触过程中的位移分布与应力分布，得出轮箍式与整体式车轮的应力的最大值分别为751MPa和545MPa，均小于许用应力值，而其位移的滑动量分别为2.182mm，0.382mm。

通过分析轮对在制动过程中的温度与应力的分布，可以看出随着制动时间增加，温度变化区域沿踏面越来越大，并且温度最高的位置出现在与轨道接触部位的附近，并且轮箍式与整体式车轮应力最大值分别为713MPa和525MPa，均小于其许用应力值。

车轴过盈量对组装应力的影响大于轮心过盈量对应力的影响，车轴和轮心过盈量与温度、热流量、热梯度等没有关系。

在列车制动中因摩擦产生的应力随温度的升高而减小，并且到最后，应力随温度的变化率也很小。

参考文献

[1]内燃机车制造工艺组编写.内燃机车制造工艺[M] .北京：人民铁道出版社,1976

[2]饶忠.列车制动[M]. 北京：中国铁道出版社，1998

[3]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2003

[4]刘云.提速货车车轮的温度场及热应力场数值模拟[D].北京交通大学硕士论文，2004

[5]余红英.樊永生.火车车轮非线性有限元热应力分析[J].华北工学院学报，2001，22（1）

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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