貨車車輪踏面損傷有限元分析

1、貨車車輪踏面損傷溫度場與應(yīng)力場的有限元分析貨車車輪踏面損傷溫度場與應(yīng)力場的有限元分析摘要：本文通過對21t軸重、120km/h的貨車車輪在一次緊急制動(dòng)過程中的溫度場和應(yīng)力場分布進(jìn)行有限元模擬，探討分析了溫度場和應(yīng)力場分布與貨車車輪踏面損傷的關(guān)系，為車輪的熱疲勞損傷機(jī)理研究提供了技術(shù)儲備和參考。關(guān)鍵詞：貨車車輪，溫度場，應(yīng)力場，有限元模擬，熱疲勞損傷。正文：提速和重載是提高鐵路運(yùn)輸能力的有效措施，已成為鐵路貨車發(fā)展的趨勢。我國貨車目前制動(dòng)方式仍然是踏面制動(dòng)，列車車輪在強(qiáng)摩擦、高熱負(fù)荷以及大輪軌作用力等惡劣條件下工作。列車在制動(dòng)過程中，動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿?dòng)裝置產(chǎn)生的熱能，對于采用踏面制動(dòng)的高速重載鐵

2、路貨車，這樣的制動(dòng)過程非常嚴(yán)苛，由此產(chǎn)生的熱疲勞損傷已成為車輪失效的主要形式之一。車輪經(jīng)過多次制動(dòng)后，會(huì)在車輪與鐵軌的接觸踏面上產(chǎn)生均勻分布的橫向裂紋，周圍會(huì)伴隨剝離、掉塊等現(xiàn)象。因此，在國家倡導(dǎo)貨運(yùn)列車提速的前提下，現(xiàn)有的踏面制動(dòng)正面臨的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也對車輪的抗熱損傷能力和疲勞壽命提出了更高的要求。由于熱損傷和疲勞損傷都與車輪在緊急制動(dòng)過程中的溫度場和應(yīng)力場分布有密切的關(guān)系，本文以21t軸重、120km/h的貨運(yùn)列車車輪為研究對象，擬結(jié)合具體貨車車輪的結(jié)構(gòu)，利用建模軟件對其建模，通過有限元模擬其緊急制動(dòng)過程中的溫度場和應(yīng)力場分布，并針對實(shí)際踏面損傷情況對其模擬準(zhǔn)確性給予評估，為進(jìn)一步研究車輪

3、的熱疲勞損傷提供技術(shù)參考。1、車輪緊急制動(dòng)溫度場模擬貨車車輪的輪徑為840mm，輪輞內(nèi)側(cè)內(nèi)徑為710mm，輪轂孔直徑為170mm，輪輞外徑為273mm，理論重量351 kg。車輪材料為CL60，材料各項(xiàng)物熱參數(shù)如下：彈性模量E =2.05105 MPa，泊松比=0.3，密度=7800 kg/m3，熱膨脹系數(shù)=10.310-6-1，比熱容c=470 J/(kgK)，熱傳導(dǎo)率k =51W/(mK)，對流換熱系數(shù)h=40W/(m2K)。由于車輪是周向?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)，在考慮熱流輸入車輪踏面和車輪的熱耗散時(shí)，可以認(rèn)為在車輪的周向是無變化的，即溫度場是軸對稱的，因此，選取車輪的1/18進(jìn)行分析，即取周向20的

4、模型。車輪的三維模型如圖1。圖1 車輪的三維模型1） 熱流密度的確定：為簡化問題，可以認(rèn)為在高速行進(jìn)過程中，踏面的溫度在周向是均勻分布的，且熱流輸入也是均勻的。初速度為120km/h時(shí)，各項(xiàng)制動(dòng)參數(shù)如表1所示。表1 制動(dòng)參數(shù)制動(dòng)初速度（km/h）軸重（t）減速度（m/s2）制動(dòng)距離（m）閘瓦壓力（kN）摩擦系數(shù)熱量分配系數(shù)120210.5561000210.2780.91根據(jù)熱流密度計(jì)算公式 （1-1）其中：閘瓦在踏面上掃過的面積；輸入到車輪的熱量分配系數(shù)；熱生成功率。計(jì)算得熱流密度 1考慮到車輪周圍的空氣流動(dòng)狀態(tài)較為簡單，本模擬中，取對流換熱系數(shù)=40W/(m2K)，并忽略車輪的熱輻射影響。

5、本次計(jì)算對車輪進(jìn)行一次緊急制動(dòng)，并在制動(dòng)結(jié)束后空冷10分鐘。2） 模型的網(wǎng)格劃分、約束、對流換熱面的確定將在SolidWorks中建好的模型導(dǎo)入ANSYS軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在熱分析中選取Solid90單元，應(yīng)力分析選擇Solid186單元，網(wǎng)格大小8mm，踏面附近的網(wǎng)格為6mm，網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖2所示。圖2 車輪模型的網(wǎng)格劃分對于熱分析，選取車輪的踏面為熱流輸入面，選取與空氣接觸的面，設(shè)置為對流換熱面。如圖3。圖3 熱流輸入面（左）和對流換熱面（右）在制動(dòng)盤的剖切面上施加周向?qū)ΨQ耦合，如圖4。圖4 在剖切面施加周向?qū)ΨQ耦合對模型施加載荷，輸入載荷命令流，設(shè)置輸出每個(gè)子步選項(xiàng)，并開始計(jì)算。3

6、） 計(jì)算結(jié)果及分析圖5、圖6分別顯示了制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻和制動(dòng)結(jié)束空冷10分鐘后的溫度場分布。制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻的最高溫度為224，冷卻10分鐘后，最高溫度為97.5。圖5 制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻(60s)的溫度場分布圖6 制動(dòng)完畢冷卻10分鐘后的溫度場分布分別取踏面上如圖7所示的位置的節(jié)點(diǎn)，讀取其制動(dòng)過程中的最高溫度，并繪制其制動(dòng)過程中的節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線，如圖8所示。圖7 在車輪踏面上選取生成曲線的節(jié)點(diǎn)51243各點(diǎn)在制動(dòng)過程中的最高溫度如表2所示：表2 踏面上不同位置節(jié)點(diǎn)在制動(dòng)過程中的最高溫度節(jié)點(diǎn)編號12345溫度（）2013083152628712453圖8 踏面不同位置節(jié)點(diǎn)在制動(dòng)過程中的溫度變化曲線3分別取

7、車輪徑向上如圖9所示的位置的節(jié)點(diǎn)，讀取其制動(dòng)過程中的最高溫度，并繪制其制動(dòng)過程中的節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線，如圖10所示。圖9在車輪徑向上選取生成曲線的節(jié)點(diǎn)54321各點(diǎn)在制動(dòng)過程中的最高溫度如表3所示：表3 徑向上不同位置節(jié)點(diǎn)在制動(dòng)過程中的最高溫度節(jié)點(diǎn)編號12345溫度（）3151671131109112345圖10 徑向不同位置節(jié)點(diǎn)在制動(dòng)過程中的溫度變化曲線綜合以上的模擬結(jié)果，經(jīng)過分析后可以得到如下結(jié)論：（1） 在整個(gè)制動(dòng)過程中，溫度的最高點(diǎn)都集中在閘瓦與車輪的接觸摩擦面部位；（2） 隨著制動(dòng)過程的進(jìn)行，貨車的運(yùn)行速度也在下降，閘瓦與車輪踏面的摩擦劇烈程度也發(fā)生著變化，導(dǎo)致制動(dòng)過程的溫度不是一直上

8、升，而是達(dá)到峰值后緩緩降低；（3） 踏面上，只有摩擦面與閘瓦接觸的部位溫度較高，其余部分的溫度較低；（4） 車輪的溫度是由踏面向輪軸位置逐漸降低的，越靠近輪軸位置，輪的溫度越低，出現(xiàn)最高溫度的時(shí)間也越晚。2、車輪緊急制動(dòng)應(yīng)力場模擬1）輸入載荷的確定對于貨車車輪在緊急制動(dòng)過程中應(yīng)力場的模擬，可以利用間接偶合法，將緊急制動(dòng)全程車輪的溫度場的模擬結(jié)果作為應(yīng)力場的載荷，施加在模型的所有節(jié)點(diǎn)上，利用命令流，調(diào)用溫度場計(jì)算結(jié)果文件（*.rth文件）中的節(jié)點(diǎn)溫度值到結(jié)構(gòu)分析中，并在結(jié)構(gòu)分析時(shí)設(shè)置與熱分析相對應(yīng)的每一個(gè)載荷步，以確保耦合的正確性。2）結(jié)構(gòu)約束的施加由于車輪與車軸是壓裝的，屬于過盈裝配，因此需要

9、在輪轂的內(nèi)圈施加沿軸向和徑向的零位移約束，即全約束。由于模型選取的是周角對稱的1/18模型，需要在剖切面上施加對稱耦合，以滿足邊界連續(xù)的條件。結(jié)構(gòu)約束示意圖如圖11。圖11 模型結(jié)構(gòu)約束的施加方式3）計(jì)算結(jié)果及分析圖12、圖13分別顯示了制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻和制動(dòng)結(jié)束空冷10分鐘后的應(yīng)力場分布。制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻的最大應(yīng)力為370MPa，冷卻10分鐘后，最大應(yīng)力為126MPa。圖14顯示了制動(dòng)過程中車輪中有最大應(yīng)力值時(shí)刻（制動(dòng)開始后的第25秒）的應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力值為460MPa。圖12 制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻的應(yīng)力場分布圖13 制動(dòng)空冷10分鐘后的應(yīng)力場分布圖14 制動(dòng)過程中出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)刻的應(yīng)力場分布分別取如

10、圖15所示的位置的節(jié)點(diǎn)，讀取其制動(dòng)過程中的最大熱應(yīng)力，并繪制其制動(dòng)過程中的熱應(yīng)力變化曲線，如圖16所示。54321圖15 在車輪徑向上選取生成應(yīng)力曲線的節(jié)點(diǎn)12345圖16徑向上不同節(jié)點(diǎn)在制動(dòng)過程中的Von Mises應(yīng)力曲線綜合以上的模擬結(jié)果，經(jīng)過分析后可以得到如下結(jié)論：（1） 在整個(gè)制動(dòng)過程中，隨著踏面溫度的迅速升高，成為車輪的最高溫部位，有強(qiáng)烈的熱膨脹，因此此過程應(yīng)力值最大的點(diǎn)都在閘瓦與車輪的接觸摩擦面部位；（2） 隨著制動(dòng)過程的進(jìn)行，車輪踏面的熱量逐漸傳入車輪內(nèi)部，使得踏面溫度與輪輞和輪轂溫度的差值緩緩減小，從而制動(dòng)結(jié)束時(shí)，踏面的溫度迅速下降，而使內(nèi)部溫度高于踏面，最大應(yīng)力部位產(chǎn)生在車

11、輪踏面之下；（3） 踏面的最大熱應(yīng)力隨著與內(nèi)部的溫度差的減小，也并不是一直遞增的，而是達(dá)到峰值后緩緩下降；（4） 踏面附近較大的應(yīng)力為周向的拉應(yīng)力。3、踏面疲勞損傷分析通過對上述車輪緊急制動(dòng)過程中的溫度場和應(yīng)力場的分析，可以看出車輪在制動(dòng)過程中會(huì)由于溫度變化產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，使得踏面附近極易發(fā)生屈服，而車輪原本存在的加工缺陷和熱處理留下的參與應(yīng)力與之相互作用，會(huì)促進(jìn)熱裂紋的萌生。在短時(shí)間的連續(xù)制動(dòng)情況下，踏面會(huì)來不及降溫而反復(fù)接受摩擦，使得溫度不斷上升，踏面附近由原本的無應(yīng)力或殘余的周向拉應(yīng)力變?yōu)槭艿街芟虻膲簯?yīng)力，而制動(dòng)結(jié)束，溫度降低后，踏面附近則會(huì)恢復(fù)到殘余的周向拉應(yīng)力狀態(tài)，再次制動(dòng)又會(huì)使周向受拉，如此往復(fù)循環(huán)，會(huì)產(chǎn)生低周疲勞，是車輪在服役時(shí)最嚴(yán)苛的服役狀態(tài)，極易產(chǎn)生疲勞裂紋。因此可以推斷，在貨車的制動(dòng)過程中，由于其溫度場和