大轴重货车车轮热负荷下疲劳强度分析

第31卷第1期铁道机车车辆Vol 31 No. 12011年2月RAIL WAY LOCOMOTIVE CARFeb.2011文章编号:1008-7842(2011)01-0013-03大轴重货车车轮热负荷下疲劳强度分析侯耐,李芾(西南交通大学机车车辆工程系,四川成都610031)摘要随着车辆轴重的不断提高,车轮所承受的工作载荷显著增加随之而来的车轮疲劳寿命下降将直接影响列车的安全运行。运用有限元分析软件 ANSYS仿真分析长大坡道制动下车轮的温度场,根据国际铁路联盟标准UIC510-5-—2003确定计算载荷,计算了32.5t轴重车轮在计算载荷工况下的应力场。将多轴应力状态转化为单轴应力状态,对车轮辐板进行疲劳强度评定。关键词车轮;有限元法;温度场;辐板;疲劳强度中图分类号:U272文献标志码:A铁路运输以其运量大、快速、安全、低耗能及环保等CL60,材料的性能参数除弹性模量E、比热容C、热膨胀特点,已成为世界当今和未来主要发展的运输模式。随系数a及屈服极限a,随温度变化外,其他参数基本不着我国国民经济的快速发展,对铁路的运输能力要求也变。越来越高。增大货车轴重、实现重载运输、提高货车运考虑到车轮结构和热载荷的对称性,取车轮的1/2行速度是提高铁路运输能力、解决运能不足的有效途结构进行分析,其有限元模型如图1所示,其由37466径。近年来,我国的通用货车轴重已由21t提高到23个节点和41128个单元组成。温度场计算采用 Solid70t,运煤专用车提高到25t,为解决铁路货运能力不足的热分析单元进行网格划分,该单元每个节点只有节点温矛盾发挥了重要作用取得了较好的经济效益和社会效度一个自由度。当进行应力场计算时,该单元转换为与益。为进一步提高铁路运能,增加货车的承载能力,提之相对应的结构单元 Solid45。高车辆的轴重将势在必行。为此,国内相关部门目前正在研究将通用货车的轴重提高到25t、运煤专用车的轴重提高到32.5t的可行性。车轮是机车车辆中走行部的部件之一,其性能直接影响车辆轴重的提高,车轮的可靠与否关系到整列车的运行安全。目前,货车的制动方式仍然是踏面制动,随着列车速度的提高和轴重的增加,列车的动能将急剧增大,由车轮踏面和闸瓦之间的机械摩擦而产生的热量也会大大增加。其结果将导致车轮热负荷的增加,对车轮的强度及疲劳寿命带来直接影响在长大坡道上制动,由于热量长时间输入,在辐板区域将产生高应力,此工况较常用制动和紧急制动工作条件更为恶劣。因此,以坡道制动下32.5t轴重、制动初速为80km/h的车轮为研究对象对车轮辐板区域进1车靴有限元模型行疲劳评定,以验证大轴重车轮的疲劳强度是否满足要求2计算载荷工况1计算模型510-5-2003标准,选取以下3个载荷工根据国内现有的技术规范和相关技术条件,32.5t况:中国煤化工轴重货车车轮的轮径拟定为915mm,车轮材料为CNMHG垂直动载荷P1+过冈家科技攴撑项目(编号:2007BAG05B06),中央高校其本科研项目(西交校2009-7)侯耐(1986-)女,河南商丘人,硕士(收稿日期:2010—07-15)铁道机车车辆第31卷盈量Δ十角速度十最高温度载荷。式中L为固体表面尺寸,m;λ为流体导热系数,W/(m(2)曲线运行坡道制动工况:垂直动载荷P2+横K);Na为谢努尔特数。向动载荷H2十过盈量Δ十角速度十最高温度载荷0.664Re0.5Prl3(3)道岔通过坡道制动工况:垂直动载荷P3+横当0.5<<50,Re<5×10(7)向动载荷H3十过盈量Δ十角速度十最高温度载荷。=0.037(Re08-23500)Pr1/22.1机械载荷的确定当0.65×10°P,=1.25P(=1,2,3)其中,Pr为普朗特数,Pr=0.687;Re为雷诺数H2=0.7P(1)·LH3=0.42P式中Po为轮重。取过盈量△为0.3mm。a。为空气流动速度,m/s;为空气的运动黏度=2.429在不同的载荷工况下,作用于轮轨作用点的载荷对×10°,m2/s.辐射系数取值为0.6车轮作用力的方向和位置如图2所示。3疲劳强度评定方法车轮在计算载荷工况作用下,其应力状态为三向应力状态,而结构产生疲劳裂纹的方向与最大主应力方向相互垂直,由此按下面的方法将多轴应力转化为单轴应力:(1)确定结构在不同载荷工况作用下的主应力值和方向。(2)将所有载荷工况作用下结构的最大主应力方向确定为基本应力分布方向,其值为最大计算主应力mx,计算其与结构基准线的夹角a(3)将在其他载荷工况作用下的主应力投影到基本应力分布方向上,其投影值最小的应力值确定为图2机械载荷的位置和方向,如图3所示2.2热负荷确定的边界条件(4)由最大和最小主应力值计算平均应力a和应采用能量转换法,列车的动能通过闸瓦与车轮踏面力幅a1000的9货列车制动时间30mm冷却5mn为计段。。用修正的 Goodman的摩擦转变成热能。以SSB型电力机车双机牵引算基础,列车所需总的制动力为:F=-{∑[Pm+i)]+G(b"+i)式中λ为动力制动力使用系数,取0.9;B4为机车动力制动力,取240kN;P,G分别为机车计算质量和牵引总重,分别为184t和10000t。机车和车辆的基本阻力分别按式(3)-(4):wb′=2.25+0.0190v+0.000320v2=5.818(3)tb"=0.92+0.0048v+0.0001252=2.104(4)i为下坡道的加算坡度千分数,取-9‰。图3最大、最小计算主应力则热流密度为:4计算结果分析q nsf(5)施加热负荷边界条件后,计算车轮的温度场,得到式中为车辆运行速度,m/n为机车与车辆的总轴轮中国煤+飞曲线如图4所示。菜化数;Sr为车轮旋转一周闸瓦在踏面上扫过的面积制动时间的进行而CNMH计算对流换热系数采用:℃。在冷Nu·λ却阶段,热流输入为零,车轮最高温度下降并逐渐向辐(6)板区域转移。第1期大轴币货车车轮热负荷下疲劳强度分析板结构。12080时阃/min图4车轮最高温度曲线图6车轮辐板最大 von_ Mises应力云图采用间接耦合法,将车轮在制动过程中得到的瞬态温度场作为温度载荷施加到单元转换后的车轮模型上采用命令流的方式,将热分析结果中的节点温度值读入到结构分析中进行热应力计算。车轮辐板区域的最大von_ Mises热应力随时间的变化曲线如图5所示。从图5中可以看到:车轮辐板区域的最大 von mises热应力的变化趋势同温度走势基本一致,在温度达到最大值时也相应达到最大,即制动结束时刻达到最大值200.109MPa,出现在临近轮毂外圆角处。图中出现的两个小波动处,即是随着制动的进行,最大 von mises-400热应力出现在辐板的不同区域图7车轮辐板区域节点 Haigh-Goodman曲线在曲线运行工况中,只施加机械载荷的情况下,辐5结论板区的最大von_ Mises应力为196.158MPa,而联合施通过仿真长大坡道制动下32.5t重载货车车轮在加机械载荷和热载荷的情况下,辐板区的最大von_Mi热负荷和机械载荷的共同作用,对大轴重车轮危险位置ses应力为235.112MPa,见图6,均出现在临近轮辋的的疲劳强度进行分析。分析结果表明:在制动热负荷单外侧。独作用下,车轮踏面温度随制动过程的进行而逐渐增高,并在制动结束时刻达到峰值,同时 von mises热应力在辐板与轮箍过渡外圆角处达到峰值。辐板是结构的危险区域,在热一机耦合载荷的联合作用下,辐板在曲线运行工况中 von mises应力最大,且出现在临近轮辋的外侧。在3个载荷工况的计算载荷作用下,对辐板区域进行疲劳强度校核0参考文献时间/min[1]米彩盈铁路机车车辆结构强度[M].成都:西南交通大图5车轮辐板最大 vonMises热应力曲线学出版社,2007[2]刘俊红歌载货车踏面制动热响应分析研究[D]成都:西按上述给出的疲劳强度评定方法对3个载荷工况南交通大学,2006的计算结果进行处理,通过 Fortran程序处理节点应力[3] Kncene BC H,etal. Temperature Field, deformation值,计算得出平均应力和应力幅,进而得到 Haigh形式and Stress of Whole Wrought Wheel Under Different Bra的修正 Goodman曲线如图7所示。由图可见,车轮辐king Condition[J]. Foreign Rolling Stock, 1996,(4).板区域很多节点的应力幅裕量不大甚至辐板与轮穀过[4]中国煤化工,R. Sriraman. Thermo渡圆角区域的某些节点的应力均值和应力幅已经超出of a rail wheel[J].InHaigh- Goodman疲劳曲线图的界限,这些节点的疲劳CNMHGSciences, 1999. (41)强度已不满足要求。若要保持车轮轴承的基础上提高487-505结构的疲劳强度,则应该选择合理的车轮材料,优化辐(下转第68页)铁道机车车辆第31卷性变形。为保证轮齿的正确啮合,在齿轮设计时必须对力约25%有利于高转速性能轴承的选用;同时转子轴齿轮参数和齿形(包括齿廓修形与齿向修形)进行优化弯曲变形降低约50%有利于主动齿轮的设计和制造。设计,综合考虑各工况时的变形,对轮齿合理修形,但仅主动齿轮在电机转子轴上的简支布置更适宜于大能对一种主要工况进行修形设计,很难保证每个工况牵功率牵引电机的使用引齿轮啮合完全理想,电机转子轴较大的变形给牵引齿参考文献轮的设计和制造带来了很大的困难。[1]王秋允,张红军,机车电机主动齿轮轴轴承布置分析通过对图6、图7对比,采用和谐2型电力机车齿[J].机车电传动,2007,(1):2224.轮传动装置结构由于转子轴弯曲变形量减少约50%,[2]高培庆,电力机车异步电动机的开发及其应用[刀]机车有利于主动齿轮的设计和制造,能够保证每个工况牵引电传动,1998(05—06):2326[3]吕士勇,封全保,刘辉,等.HX2型电力机车转向架轮齿轮啮合更趋于合理对驱动系统[J.机车电传动,2009,(6):6-9.4结束语[4]李立行,朱恒生,王秀琦,等.高速铁路机车牵引齿轮优化主动齿轮在电机转子轴上的简支布置是和谐2型设计[J.机械传动,1994,(3,增刊):69-71电力机车齿轮传动装置的主要结构特点,是一种使作用5]SKF轴承综合型录[M].上海:上海科学技术文献出版力影响更为合理的结构,能够降低电机转子端轴承作用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页)[6]郑红霞谢基龙周素葭,等.基于有限元仿真车轮多轴疲[5]徐传来,米彩盈,李芾.基于轴对称模型的货车车轮结劳强度分析[J].北京交通大学学报,200933(4):5459构疲劳强度分析[刀交通运输工程学报,2008,8(6):20-[7]刘会英王农提速货车车轮热负荷试验研究[J.铁道车辆,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中国煤化工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