货车车轮踏面损伤温度场与应力场的有限元分析
XXXX 专业XX 班XXXX 学号 姓名
摘 要：在铁路运输不断提速及重载的情况下，采用踏面制动方式制动的货车车轮承受着强摩擦、高热载荷及大轮轨作用力的恶劣条件，在反复制动时，车轮将产生热疲劳损伤而造成车轮的失效破坏。
本文根据货车的实际工作条件，对21t 轴重、速度为120 km/h 的货车车轮在一次紧急制动过程中的温度场和应力场分布进行了有限元模拟，分析了温度场和应力场的分布与货车车轮踏面损伤之间的关系。
研究结果表明，在整个制动过程中，温度与热应力的最高点都集中在闸瓦与车轮的接触摩擦面部位，且随着制动过程的温度不断上升，达到峰值后又缓缓降低；车轮的温度是由踏面向轮轴位置逐渐降低的，越靠近轮轴，温度与热应力值越低；制动结束后，车轮内部的温度高于踏面的温度，最大应力产生在车轮踏面之下。
关键词：货车车轮；温度场；应力场；有限元模拟；热疲劳损伤
FEA of Temperature and Stress Field Distribution on the Touching Area
of Freight Train Wheel
1
引言
提速和重载是提高铁路运输能力的有效措施，已成为铁路货车发展的趋势。
我国货车目前制动方式仍然是踏面制动，列车车轮在强摩擦、高热负荷以及大轮轨作用力等恶劣条件下工作。
列车在制动过程中，动能逐渐转变为制动装置产生的热能，对于采用踏面制动的高速重载铁路货车，这样的制动过程非常严苛，由此产生的热疲劳损伤已成为车轮失效的主要形式之一。
车轮经过多次制动后，会在车轮与铁轨的接触踏面上产生均匀分布的横向裂纹，周围会伴随剥离、掉块等现象。
因此，在国家倡导货运列车提速的前提下，现有的踏面制动正面临的严峻的挑战，也对车轮的抗热损伤能力和疲劳寿命提出了更高的要求。
由于热损伤和疲劳损伤都与车轮在紧急制动过程中的温度场和应力场分布有密切的关系，本文以21t 轴重、120km/h 的货运列车车轮为研究对象，拟结合具体货车车轮的结构，利用建模软件对其建模，通过有限元模拟其紧急制动过程中的温度场和应力场分布，并针对实际踏面损伤情况对其模拟准确性给予评估，为进一步研究车轮的热疲劳损伤提供技术参考。
2
车轮紧急制动温度场模拟
货车车轮的轮径为840mm ，轮辋内侧内径为710mm ，轮毂孔直径为170mm ，轮辋外径为273mm ，理论重量351 kg 。
车轮材料为CL60，材料各项物热参数如下：弹性模量E =2.05×105 MPa ，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800 kg/m 3，热膨胀系数α=10.3×10-6℃-1，比热容c=470 J/(kg ·K)，热传导率k =51W/(m ·K)，对流换热系数h=40W/(m 2·K)。
由于车轮是周向对称的结构，在考虑热流输入车轮踏面和车轮的热耗散时，可以认为在车轮的周向是无变化的，即温度场是轴对称的，因此，选取车轮的1/18进行分析，即取周向20°的模型。
2.1 热流密度的确定：
为简化问题，可以认为在高速行进过程中，踏面的温度在周向是均匀分布的，且热流输入也是均匀的。
初速度为120km/h 时，各项制动参数如表1所示。
表1 制动参数
制动初速度（km/h ）
轴重（t ） 减速度（m/s2） 制动距离（m ） 闸瓦压力（kN ） 摩擦系数 热量分配系数 120
21
0.556
1000
21
0.278
0.91
根据热流密度计算公式
f
d S t p t q )
()(η
=
其中：f S ——闸瓦在踏面上扫过的面积；η——输入到车轮的热量分配系数；)(t p d ——热生成功率。
计算得热流密度 )/(838.145.889)
()(2m kW t S t p t q f
d -≈=η
[1] 考虑到车轮周围的空气流动状态较为简单，本模拟中，取对流换热系数α=40W/(m 2·K)，并忽略车轮的热辐射影响。
本次计算对车轮进行一次紧急制动，并在制动结束后空冷10分钟。
2.2 模型的网格划分、约束、对流换热面的确定
将在SolidWorks 中建好的模型导入ANSYS 软件，进行网格划分。
在热分析中选取Solid90单元，应力分析选择Solid186单元，网格大小8mm ，踏面附近的网格为6mm 。
对于热分析，选取车轮的踏面为热流输入面，选取与空气接触的面，设置为对流换热面。
在制动盘的剖切面上施加周向对称耦合。
对模型施加载荷，输入载荷命令流，设置输出每个子步选项，并开始计算。
2.3 计算结果及分析
图5、图6分别显示了制动结束时刻和制动结束空冷10分钟后的温度场分布。
制动结束时刻的最高温度为224℃，冷却10分钟后，最高温度为97.5℃。
分别取踏面上如图7所示的位置的节点，读取其制动过程中的最高温度，并绘制其制动过程中的节点温度变化曲线，如图8所示。
分别取车轮径向上如图9所示的位置的节点，读取其制动过程中的最高温度，并绘制其制动过程中的节点温度变化曲线，如图10所示。
综合以上的模拟结果，经过分析后可以得到如下结论：
1）在整个制动过程中，温度的最高点都集中在闸瓦与车轮的接触摩擦面部位；
2）随着制动过程的进行，货车的运行速度也在下降，闸瓦与车轮踏面的摩擦剧烈程度也发生着变化，导致制动过程的温度不是一直上升，而是达到峰值后缓缓降低；
3）踏面上，只有摩擦面与闸瓦接触的部位温度较高，其余部分的温度较低；
4）车轮的温度是由踏面向轮轴位置逐渐降低的，越靠近轮轴位置，轮的温度越低，出现最高温度的时间也越晚。
3 车轮紧急制动应力场模拟
1）输入载荷的确定
对于货车车轮在紧急制动过程中应力场的模拟，可以利用间接偶合法，将紧急制动全程车轮的温度场的模拟结果作为应力场的载荷，施加在模型的所有节点上，利用命令流，调用温度场计算结果文件（*.rth 文件）中的节点温度值到结构分析中，并在结构分析时设置与热分析相对应的每一个载荷步，以确保耦合的正确性。
2）结构约束的施加
由于车轮与车轴是压装的，属于过盈装配，因此需要在轮毂的内圈施加沿轴向和径向的零位移约束，即全约束。
由于模型选取的是周角对称的1/18模型，需要在剖切面上施加对称耦合，以满足边界连续的条件。
结构约束示意图如图11。
3）计算结果及分析
图12、图13分别显示了制动结束时刻和制动结束空冷10分钟后的应力场分布。
制动结束时刻的最大应力为370MPa ，冷却10分钟后，最大应力为126MPa 。
图14显示了制动过程中车轮中有最大应力值时刻（制动开始后的第25秒）的应力分布云图，最大应力值为460MPa 。
分别取如图15所示的位置的节点，读取其制动过程中的最大热应力，并绘制其制动过程中的热应力变化曲线，如图16所示。
综合以上的模拟结果，经过分析后可以得到如下结论：
1）整个制动过程中，随着踏面温度的迅速升高，成为车轮的最高温部位，有强烈的热膨胀，因此此过程应力值最大的点都在闸瓦与车轮的接触摩擦面部位；
5
1 2
4 3
1 2 4 5
3 5
4
3 2 1
1 2
3
4 5
S t r e s s
2）制动过程的进行，车轮踏面的热量逐渐传入车轮内部，使得踏面温度与轮辋和轮毂温度的差值缓缓减小，从而制动结束时，踏面的温度迅速下降，而使内部温度高于踏面，最大应力部位产生在车轮踏面之下；
3）踏面的最大热应力随着与内部的温度差的减小，也并不是一直递增的，而是达到峰值后缓缓下降；
4）踏面附近较大的应力为周向的拉应力。
4 结论
通过对上述车轮紧急制动过程中的温度场和应力场的分析，可以看出车轮在制动过程中会由于温度变化产生较大的热应力，使得踏面附近极易发生屈服，而车轮原本存在的加工缺陷和热处理留下的参与应力与之相互作用，会促进热裂纹的萌生。
在短时间的连续制动情况下，踏面会来不及降温而反复接受摩擦，使得温度不断上升，踏面附近由原本的无应力或残余的周向拉应力变为受到周向的压应力，而制动结束，温度降低后，踏面附近则会恢复到残余的周向拉应力状态，再次制动又会使周向受拉，如此往复循环，会产生低周疲劳，是车轮在服役时最严苛的服役状态，极易产生疲劳裂纹。
因此可以推断，在货车的制动过程中，由于其温度场和应力场的分布特点，应该极力避免短时多次的快速制动[2]。
参考文献
[1] 郑红霞, 李智令, 刘玉军. 紧急制动下货车车轮温度场和应力场的数值仿真研究[J], 鲁
东大学学报, 2008, 24 (4) : 367—371.
[2] 彭莉, 谢基龙, 郑红霞. 大秦线全程制动条件下货车车轮温度及热应力场的数值模拟[J], 北京交通大学学报, 2007, 31(1) : 37—40.。