（光学工程专业论文）φ840hd车轮幅板孔加工设备研制.pdf

i t 塞窑道厶堂亟堂僮论室 中文摘要 摘要：随着货车快速化、重载化的发展，车轮故障己成为影响货车发展的主 要因素，其中矿8 4 0 0 车轮辐板孔裂纹问题尤其突出，调查表明，该型车轮有1 5 2 0 存在长度不等的辐板孔裂纹。所以研制一套车轮辐板孔加工设备就显得很有意义。 本论文采用有限元数值模拟技术，对各种铣削类型的# 8 4 0d 车轮的机械应力及热 应力进行了仿真研究，并且在此基础上分析了加工的可行性。 本文首先对车轮进行了初步的失效分析，从金属基体组织、化学成分及力学 性能方面排除了使得车轮幅板孔裂纹萌生的原因，将失效原因圈定于车轮的运行 工况情况下。 其次，本文就沿辐板孔两边各铣削0 、5 、1 0 、1 5 、2 0 m m 情况下8 4 0d 车轮 的机械工况应力及常用制动及坡道制动工况下的热应力进行了数值模拟，分析了 加工的可行性。 再次，根据车辆段和车辆厂实际生产情况，设计了一套车轮幅板孔铣削和滚 压设备。 最后，应用巴克豪森法对滚压后辐板孔表面残余应力进行了测量，并就残余 应力对疲劳寿命的影响进行了评估。 本论文共有图7 4 幅，表1 1 个，参考文献3 0 篇。 关键词：郝4 0 d 车轮机械应力热应力加工设备残余应力 分类号：t g 6 6 9 垦5 坠盟 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ei n c r e a s i n go f t h es p e e da n dt h el o a d i n go ft h ef r e i g h tt r a i n ， w h e e lf a i l u r eh a sb e e nt h em a i nf a c t o rw h i c ha f f e c t st h ed e v e l o p m e n to ff r e i g h tt r a i n a n dt h ep r o b l e mo ft h eh o l e so nt h ew e bo f 庐8 4 0 h dw h e e l i s e s p e c i a l l y e x t r u s i v e t h e r ea l e15 - 2 0 u n e q u a ll e n g t hp l a n eh o l ec r a c k si nt h i st y p eo f w h e e l ，s oi t i s s i g n i f i c a n tt od e v e l o pt h em a c h i n i n ge q u i p m e n tf o rt h eh o l e so nt h ew e bo f 矿8 4 0 h dw h e e l b yu s i n gt h ef e a m e t h o d ，t h em e c h a n i c a ls t r e s sa n dt h eh e a ts t r e s s o fd i f f e r e n t # 8 4 0 dw h e e l sa r es i m u l a t e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yt ot h em a c h i n i n gi s a n a l y z e d f i r s t l y ，p r i m a r yf a i l u r ea n a l y s i so fw h e e li sp u ti np r a c t i c ei n t h ep a p e r t h e r e a s o n si na s p e c t so fm e t a lm a t r i x 、c h e m i c a lc o n s t i t u t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t ya l e d i r n i n a t e di nc r a c ki n i t i a t i o no fw h e e lp l a n eh o l et h r o u g ha n a l y s i n g , a n df a i l u r e r e a s o n sa r el i m i t e di nt h ew o r kc o n d i t i o n so f t h ew h e e l s e c o n d l y ，t h em e c h a n i c a ls t r e s sa n dt h eh e a ts t r e s so f t h e 痧8 4 0 d w h e e lw h i c hi s m i l l e d0 、5 、1 0 、1 5 、2 0 r a mi nc o n d i t i o n so fs e r v i c eb r a k i n ga n dd e s c e n tb r a k i n ga r e s i m u l a t e db yf e a t h e nt h ef e a s i b i l i t yt od e v e l o pt h em a c h i n i n ge q u i p m e r i tf o rt h e h o l e so nt h ew e bi sa n a l y s e d t h i r d l y ，d e v e l o pas u i to fm a c h i n i n ge q u i p m e n tf o rt h eh o l e so nt h ew e bo f 妒8 4 0 i - i dw h e e lo nt h eb a s i so ft h ec o n d i t i o n so ft h ec a rr e p a i r i n gw o r k s f i n a l l y ，t h ed i s t r i b u t i o no f t h er e s i d u a ls t r e s so nt h eh o l e so nt h ew e b i sm e a s u r e d b ym a g n e t i ce l a s t i cm e t h o d a n dt h ei n f l u e n c eo ft h er e s i d u a l s t r e s so i lt h ef a t i g u e l i f e s p a no f t h ew h e e li sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：# 8 4 0 d w h e e l ，m e c h a n i c a ls t r e s s ，h e a ts t r e s s ，m a c h i n i n g e q u i p m e n t ，r e s i d u a ls t r e s s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：动艮日辱导师签名：扒绷 签字日期：2 0 0 6 年1 2 月1 0 日签字日期：2 0 0 6 年1 2 月1 0 日 致谢 本论文是在导师刘志明教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、研究内容、 研究方法直到最后的论文的编排、出稿的整个过程，都倾注了导师大量的心血。 导师丰厚的学识、严谨的科学态度及学术上的远见卓识都使学生受益匪浅。在论 文研究过程中，采用启发式教导，对于大方向上的思路给予及时的引导，对于细 节方面的内容也随时耐心地指点，对论文学术内容和深度提出殷切的希望和严格 的要求。论文完成过程中，生活方面老师也给予了无微不至的关怀，错误时给予 的批评、失败时给予的鼓励都让学生得到了很大的动力，让学生终身难忘。老师对 科研工作一丝不苟的敬业精神和高尚的人格对我的工作、学习、做人都将有很深 的影响，在此向老师表示最衷心的感谢。 在论文的研究过程中，得到了缪龙秀教授、李强教授、谢基龙教授、任尊松 副教授、王文静老师的关注和指导，并给本人提供了很好的科研条件和学习环境， 在此向各位老师表示衷心的感谢。 此外，郑红霞博士、杨月博士、彭丽硕士在本论文完成过程中在论文方面及 科研条件方面也给予了热心帮助，在此表示衷心感谢。 同时，真心感谢我的家人及所有帮助过我的同学和朋友们。 箍= 重l 言 1 1 选题背景 第一章引言 为适应国民经济的发展，满足货运市场的需求，铁路货车快速化、重载化已 成为当前货车发展的必然趋势。铁路车轮是列车安全运行的最关键部件之一，在 组成货车的所有部件中，车轮的工作条件是最恶劣的。车轮在支承重型载重车辆 质量的情况下，承受大量诸如由闸瓦摩擦、钢轨接头和特殊轨道作业的冲击、来 自车上和轮轨间持续不断的作用力，由此引起很高的热应力和机械应力，并可能 产生机械损伤。一方面，铁路运输要求不断提高轮载，从而增大了车轮受力；另 一方面，运行速度的不断提高也加剧了轮轨接触的动应力。车轮故障已成为影响 货车发展的重要因素，其中车轮辐板孔裂纹尤其突出，8 4 0 d 货车车轮是我国目前 在役数量最多的车轮，调查表明，该型车轮有1 5 2 0 左右的车轮存在长度不等的 辐板孔裂纹。我国现有货车保有量约6 l 万辆，其中国铁货车5 1 万辆。以6 0 万辆 计算，则有4 8 0 万个车轮在服役，其中约有3 0 0 万个车轮属于带辐板孔型式的8 4 0 d 斜辐板车轮，其数量是相当可观的。而在当前形势下，全部更换有裂纹的车轮是 不现实的。因而，继续服役运用的带辐板孔裂纹车轮势必构成列车运行安全的重 要隐患。2 0 0 4 年初，神华铁路发生一起货车车轮因辐板孔裂纹的崩轮事件；2 0 0 4 年7 月2 5 日，京沪线上因货车车轮辐板孔裂纹而崩轮并引起重大行车事故1 1 1 就说 明了这一点 如何及时、有效地消除现有在役车轮辐板孔裂纹成为摆在全国铁路车辆部门 工作人员面前亟待解决的问题。 鉴于辐板孔裂纹对列车运行安全威胁严重的严峻现状，开展辐板孔修理是目 前铁路车辆现场检修部门积极探索、势在必行而且比较可行的方法，目前铁路车 辆段、车辆厂较为通用的方法是辐板孔倒角，事实和统计数据都已经说明这是一 种较为有效的修理方法，在很大程度上避免了辐板孔裂纹造成的危害。但是对于 辐板孔裂纹长度较长的车轮采用倒角的方法就有了一定难度。为此，铁道部在相 j l 立交逼太兰亟堂焦途塞 关规章中规定：段修时，辐板孔裂纹长度不得大于1 5 毫米；运用时，不得大于3 0 毫米；且不得有径向裂纹，圆周裂纹扩展与原裂纹夹角不得大于3 0 度；超过限度 按报废处理。 这种处理模式有可能造成两种结果：其一就是对裂纹没有到限的车轮来说， 继续服役运行裂纹继续扩展，形成安全隐患，造成重大行车事故；其二就是裂纹 到限的车轮一率报废而未开展修理，可能造成国家资源的浪费。 因此，进行辐板孔裂纹消除的可行性研究、开展由8 4 0 h d 型车轮辐板孔加工 设备研制、及时地消除在役车轮的辐板孔裂纹、提高孔表面精度迫在眉睫。 1 2 研究现状 目前国内其他单位尚未开展这方面的研究。本论文在进行了由8 4 0 h d 型车 轮辐板孔加工设备研制的可行性分析以后，设计了一套能对在役巾8 4 0 h 0 型车轮辐 板孔裂纹进行消除的专用设备，填补了我国目前在这方面的空白，不但可以用于 车辆段段修、车辆工厂厂修时对巾8 4 0 h d 型车轮辐板孔裂纹的削除，也可以对没有 裂纹的辐板孔进行二次加工及滚压强化处理，及时消除行车安全隐患，具有良好 的推广前景。 1 3 本论文的主要研究内容 一、8 4 0 d 车轮简介及其初步失效分析 对8 4 0 d 车轮结构进行介绍，并且从金属基体组织、化学成分、力学性能 等方面简单分析车轮的失效。 二、机械载荷下扩孔后的车轮应力有限元分析 模拟机械载荷下扩孔后的车轮形成的机械应力。 三、典型制动工况下的温度场及热应力分析 用a n s y s 软件对车轮在常用及坡道制动工况下扩孔后的的车轮进行热应力分 析。 四、8 4 0 d 车轮辐板孔加工设备结构设计 根据车辆段、车辆厂现状，设计了一套用于车轮辐板孔铣削、滚压的机械装 置。 2 箍= 重l 直 五、磁弹性法测滚压后辐板孔表面残余应力 使用磁弹性仪对铣削、滚压后的车轮辐板孔残余应力进行了测试，并在此基 础上，探讨对车轮幅板孔疲劳裂纹造成的影响。 最后一章对本文的研究进行了总结，并提出对以后工作的展望。 l e 塞窑望太堂亟堂位丝塞 第二章由8 4 0 h d 车轮简介及其初步失效分析 2 1 由8 4 0 h d 车轮简介 车轮的结构、形状、尺寸、材质多种多样。按其材质可以分为铸钢车轮和辗 钢车轮等：按其用途可分为客车轮、货车轮、机车用车轮；按照踏面形状可分为 锥形车轮踏面( t b 型 和磨耗形车轮轮缘踏面外形( l m 型) ；按辐板形状可分为 直辐板车轮和s 型辐板车轮【2 】。我国铁道车辆用车轮按直径可分为9 1 5 m m 车轮和 8 4 0 r r 吼车轮，前者用于客车，后者用于货车。 本文所讨论的巾8 4 0 h d 车轮为目前广泛用于货车的辗钢整体车轮，为l m 形踏 面及直辐板，钢种为g b 8 6 0 1 - 8 8 中的i i 牌号c l 6 0 钢，尺寸规格参照g b 8 6 0 卜8 8 如 表2 - 1 所示【3 】，用a n s y s 对车轮建模，如图2 - i 所示。 表2 - i由8 4 0 1 1 d 车轮的基本尺寸 t a b l e 2 1b a s i cd i m e n s i o no f | j b 8 4 0 h dw h e e l 项目轮辋内轮毂轮毂 誓武 外径d 毅长 辋高 侧内径 孔径井径 轮型n ( ) l ( 衄) h ( m ) d i ( )d o ( m )d 3 ( m ) 8 4 0 d8 4 07 1 01 7 02 7 31 7 81 3 5 图2 - i 巾8 4 0 1 1 ) 车轮的剖面及三维实体 f i g 2 1c r o s ss e c t i o na n dt h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t yo f 咖8 4 0 a dw h e e l 4 墓三重尘8 1 q 业至丝堑金丞基塑生基熬坌堑 2 2 车轮辐板孔初步失效分析 失效分析使得人们可以从微观方面阐明产品失效的本质、规律和原因，铁路 车轮和轮箍失效分析中常用的实验检测技术主要有：失效形态的观测和分析；金 属基体组织、非正常组织及非金属夹杂物的观测和分析；表面和内部缺陷的无损 检测和分析；化学成分的检测和分析；力学性能和断裂力学性能的检测和分析等。 为了弄清辐板孔裂纹产生的机理，从二七车辆厂检修的轮对中选取辐板孔带 裂纹的车轮如图2 2 所示，进行了详细的理化和断口分析以确定裂纹萌生机理及规 律和特点。 图2 2 辐板孔带裂纹的车轮 f i g 2 - 2t h ew h e e lw i t hc r a c kt ot h eh o l e so nt h ew e b 2 2 1 失效形态的观测和分析 通过宏观失效形态特征的观察和分析，可以推断出可能的失效类型和原因， 及确定进一步进行微观形态或金相组织形态的观测部位和取样方法。 车轮在使用过程中的表面裂纹或内部裂纹1 4 】，在使用应力作用下疲劳发展到 临界尺寸后，剩余截面不能再承受使用应力而发生的完全破断现象称为断裂。断 裂后的自然表面称为断口。根据断裂形态和断口的宏观形态特征，可以确定断裂 的类别、断裂源和裂纹扩展方向。断裂全过程按裂纹发展特性，一般可分为裂纹 的起源( 裂纹源萌生) ，裂纹的疲劳发展，瞬时断裂三个阶段。如果断裂过程中有 明显的裂纹疲劳发展阶段，则称为疲劳断裂；如果断裂过程中没有裂纹疲劳发展 阶段或裂纹疲劳发展阶段不明显，则称为脆性断裂。 将辐板孔处各裂纹人工打开，裂纹打开后的断口形貌如图2 3 所示： 5 j e 塞銮垣塞堂亟堂位迨塞 圈2 - 3 辐板孔裂纹断口形貌图 f i g 2 - 3a p p e a r a n c ec h a l to f t h ec r a c kt ot h eh o l e so i lt h ew e b 从图中断口宏观形貌可以看出裂纹起始于辐板内侧辐板孔边，断口是典型的 疲劳断口，有表征着裂纹扩展的海滩条带，裂纹扩展方向由内侧面沿圆周方向和 孔深度方向呈弧线形扩展。 2 ，2 2 金属基体组织、非正常组织及非金属夹杂物的观测和分析例 车轮和轮箍的基体组织是细珠光体和少量的铁素体。在车轮产品的供货技术条 件中，通常对钢中非金属夹杂物的形状、大小、数量和分布等都规定应小于定 的级别，金属基体组织发生变化，存在非正常组织或超标的非金属夹杂物时，其 强度、塑性、断裂韧性等力学性能指标也将发生变化。 其中非正常金相组织主要有：马氏体、屈氏体、魏氏体、粗大的珠光体、网状 渗碳体，条带状组织及上述几种组织的混合相组织。 对车轮断口裂纹源区进行金相组织及非金属夹杂物测定，其组织形貌如图2 _ 4 ， 图2 5 ，图2 6 所示。 图2 - 4 裂纹源区的金相组织( 1 0 0 x ) f i g 2 - 4m i c r o s t r u c t u r eo f t h ec r a c ks o u r c ea r e a0 0 0 x ) 6 复三重鱼! q 鲤主整筮金区基垫生叁筮坌堑 图2 - 5 裂纹源区的局部放大组织( 4 0 0 x ) f i g 2 - 5 f r a c t i o n a t e d g a i n o r g a n i z a t i o no f t h e c r a c ks o u r c ea r e a ( 4 0 0 x ) 图2 - 6 裂纹源区扫描电镜照片 f i g 2 - 6s c a n n i n ge l e c t r i c i t ym i r r o rp i c t u r eo f t h ec r a c ks o u r c ea r e a 检验结果表明：裂纹源区组织为珠光体和铁素体，裂纹源处未见导致裂纹萌生 的异常组织和非金属夹杂物等材质缺陷。 2 2 3 化学成分的检测和分析 钢的化学成分对钢的物理性能、机械性能与工艺性能都有显著影响。 碳( c ) 是钢中最主要和最基本的化学成分。一般说来，随着含碳量的增加， 钢的强度性能( 屈服强度、抗拉强度、硬度) 提高。塑性与韧性降低；硅( s 。) 能提高钢的强度和硬度，含量超过3 时，会降低钢的塑性和韧性：锰( m 。) 能 消除或减弱因硫引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能，也能溶于铁素体而强 化铁素体基体，提高钢的强度和硬度、提高钢的淬透性；硫( s ) 和磷( p ) 会导 致热脆性，显著降低钢的塑性和韧性，是做为有害元素严加控制的；残余元素铬 ( c ，) 、镍( n ，) 、铜( c u ) 可改善钢的抗氧化性能、改善钢的低温性能的韧性、 7 j 塞銮垣盔堂亟堂僮逾塞 改善低合金钢的抗大气腐蚀能力。 从车轮辐板孔裂纹附近取样，采用直读光谱进行化学成分分析，其结果如表2 2 所示。 表2 - 2辐板的化学成分 t a m e 2 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t h ew e b 元素( w ) c s i m p s c rn f c u 裂纹源区0 5 90 ，3 0 0 7 00 ，0 20 ，0 1 9 = 但o ) ( 4 1 3 ) 其中e 。是温度引起的载荷。 4 2 载荷工况及边界条件的确定 4 2 1 载荷工况的确定 通常列车有三种制动方式：常用制动、紧急制动以及坡道制动，实际运行中， 紧急制动发生频率很低，其应力也远小于坡道制动工况，故不做考虑。参考a a r 标准和我国货车运行工况，常用制动，长大坡道制动的制动参量如表4 - i 所示。 表4 - 1 常用制动和坡道制动的制动参量 t a b l e 4 1 p a r a m e t e ro f s e r v i c eb r a k i n ga n dg r a d eb r a k i n g 制动轴重制动初速闸瓦压力 制动时摩擦制动功率 方式( t )度( k m h ) ( k n ) 间( s )系数 ( k 霄) 常用制动 2 l6 01 0 75 4 o 2 9 7 4 5 9 7 0 8 5t 坡道制动 2 l4 06 2 3 4 4 o 2 8 73 0 4 2 2 模型参数及边界条件的确定 一、车轮材料c l 6 0 的常温力学及热物理参数如下( 参照文献 1 4 】) ： 弹性模量e = 2 0 5 1 0 5m p a ，泊松比舻o 3 ，密度0 = 7 8 3 0k g m 3 ，热膨胀系数 t x = 1 0 8 x 1 0 巧k 一，比热c = 4 2 6 6j k g k ，热传导率k = 4 8 6w m k ，导流系数h = 2 2 7 2 j e 塞窑煎态堂亟堂焦丝塞 w 聊2 k ，热量分配系数：0 8 5 。 二、边界条件确定 1 ) 热流密度的计算：假设制动摩擦因数为一定值，在制动力一定的情况下， 车轮转速的降低程度与制动经历的时间成正比；若损耗的动能全部转化为热能， 则热的生成速率与车轮的转速成正比；假定生成的热能一部分传递给闸片，其余 的与转速成比例地不断传入到车轮摩擦面，制动盘的温度分布在制动过程中不断 变化，是一个瞬态过程”】。制动从摩擦表面生成的热量通过车轮踏面传给车轮， 属于第二类边界条件。 参照文献 1 6 ，在这里得到的热流密度的公式( 4 - 1 4 ) 是假设踏面与闸瓦接触 的部分各个点的热流密度的输入大小相同，呈均匀分布。 热流密度的大小：q = 旱 ( 4 1 4 ) o ， 其中：q 一每轮平均制动功率： s ，一车轮旋转一周闸瓦在踏面上扫过的面积( 聊2 ) 。 a ) 长大坡道制动( 制动初速4 0 ( k m h ) ，制动时间3 4 4s ) q = 3 0 k w 为常值 热流密度为： q = q s ，= 3 0 0 2 2 4 1 9 6 = 1 3 3 8 1 ( k w m 2 ) 其中s ，= h d b = 3 1 4 0 8 4 0 0 8 5 = 0 2 2 4 1 9 6m 2 d 为车轮滚动圆直径： b 为闸瓦宽度。 b ) 常用制动( 制动初速6 0 ( k i n h ) ，制动时间5 4s ) 由于制动功率是随时间变化的，所以用q c o 表示。 制动功传入踏面的热量w 采用能量法呻1 计算： w _ ，7 0 5 m ( v o z v ? ) n ：“一1 5 ) 其中r 一热流分配系数，根据有关资料，大约有8 0 - 9 0 的热量被踏面吸收因此取 0 8 5 ： 筮四童基型剑动工况王曲热廛左魔瘗笸麦金盆压 v o - 制动初速度6 0 k m h ，即1 6 6 7m s ： n 为闸瓦数量，取8 。 制动过程近似于匀减速运动，因此加速度为： a - ( v t - v 。) t = ( 0 - 1 6 6 7 ) 5 4 = 一0 3 0 9 m s 2 ； 由此可得列车速度随时间变化公式为： v ( 。) _ v o + a t = 1 6 6 7 0 3 0 9 t ， 制动功率随时间的变化规律为： q m = d w d t = - o 8 5x ( m a 2 t + m v o a ) 8 = 4 5 9 7 0 8 5t 热流密度q a ) 为 q t t ，= q ( t ) s ， 一( m a z t + m v 口a ) ( 8 0 2 2 4 1 9 6 ) = 2 0 5 0 6 3 8 0 t 。 2 ) 对流换热系数：车轮和周围空气的热交换为对流换热，属于第三类边界条 件，取固定值。 2 、热应力场计算： 1 ) 温度载荷：采用间接耦合法，将车轮在制动过程中所得到温度场结果，作 为载荷施加到车轮的结构分析模型的所有节点上。 2 ) 其他边界条件：在车轴上施加沿轴向和沿径向的零位移约束的边界条件。 4 3 温度场分析 4 3 1 有限元模型的建立 由于车轮从结构上来说是轴对称，并且在热流的输入和热量的耗散计算时也 认为是在周向是没有变化，既是轴对称的，参照文献 1 7 ，可对模型进行简化， 所以本文分析常用及坡道制动情况下有孔车轮的温度场及热应力场时所采用有限 元模型是1 2 三维模型( 各种不同情况的车轮同上章) 。温度场计算采用三维热单 元s o l i d 9 0 进行网格划分，热单元每个节点只有节点温度一个自由度，其有限元 模型如图4 一l 所示，对于辐板孔边可能出现较大应力的部位网格较细，其他部分 的网格略粗。 j e 壅窑塑太堂亟堂焦丝塞 4 3 2 模拟结果 图4 - 1 车轮轴对称有限元模型 f i g 4 1a x i s y m m e t r i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f w h e e l 将制动过程中损耗动能的8 5 作为热载荷均匀施加在盘体和闸片的有效 接触区域，在非摩擦面施加空气对流换热条件。因损耗的动能是按一定比例以热 能的方式传递给车轮的，故分析中未考虑摩擦面的空气对流换热。 施加载荷和边界条件后，进行多载荷步瞬态导热分析，常用制动计算从制动 开始到制动结束后1 2 s 全过程，坡道制动计算从制动开始到制动结束以及制动结 束后7 5 0 s 车轮的温度分布。计算结果分别得出不同制动情况下踏面和孔边温度随 时间变化规律( 见图4 2 ，以巾4 5 原型车轮为例) 图4 _ 2 一l 常用制动图4 - 2 - 2 坡道制动 f i g 4 2 一l s e r v i c eb r a k i n g f i g 4 - 2 1g r a d eb r a k i n g 4 0 筮四重基型盔l 动工猩工的垫应左星瘗董壹佥盆土匠 图4 - 2 ( a ) 孔边温度随时间变化规律 f i g - 4 2 ( a ) t h ec h a n g er o l eo f t h et e l v l p e r a t u r en e a rt h eh o l ea l o n gw i t ht i m e 图4 2 r 3 常用制动图4 2 4 坡道制动 f i g 4 - 2 一l s e r v i c eb r a k i n g f i g 4 - 2 1g r a d eb r a k i n g 图4 2 ( b ) 踏面温度随时间变化规律 f i g 4 _ 2 ( b ) t h ec h a n g er u l eo f t h et e l v l p e m t u r eo f t h et r e a da l o n gw i t ht i m e 4 4 应力场分析 进行热应力计算时，将热单元相应地转化为对应的结构单元s o l i d 9 5 。 对于常用制动定义为1 1 个载荷步，对于坡道制动定义为8 5 个载荷步，在每一个 载荷步内从a n s y s 热分析结果文件中读取温度场中计算得到的对应时刻的节点温 度，结构强度分析的载荷步和热分析的载荷步在时间上也必须完全对应，以保证 计算的准确性，将载荷以及边界条件施加到结构分析模型上以后，开始进行热应 力的瞬态计算。 4 4 1常用制动工况下热应力 8 4 0 d 货车车轮为碾钢轮，辐板不进行热处理，为碾锻状态，其材料在存活率 p = 9 5 、置信度y = 9 5 下的疲劳极限以试验结果为2 5 3 1 m p a i ”】。由于碾锻表面和 机械加工较粗糙，取实际辐板孔的疲劳强度降低系数k f 为1 5 ，则相应的以取为 1 6 8 7m p a 。 通过计算结果，得出常用制动工况下辐板孔径向应力随制动时间的变化规律 ( 见图4 3 ，以巾4 5 原型车轮为例) ，从图中结果可以看出，在整个常用制动过程 中，辐板孔径向应力都比较小，在制动结束5 4 s 时出现最大值也才2 7 m p a 。此结果 相对于t 来说太小，因此可以认为常用制动对车轮辐板孔造成的疲劳损伤可以忽 略不计。因此对辐板孔扩5 m m 、1 0 m m 、1 5 m m 、2 0 m m 情况下常用制动的径向应力及 4 1 j b 壶銮遁盘堂亟堂焦迨塞 其对结果的损伤不加讨论。 图4 4 给出了常用制动5 4 s 时车轮径向应力的分布情况。 图4 - 3 常用制动工况下辐板孔径向应力随时间的变化规律 f i g 4 _ 3t h ec h a n g er u l eo f t h er a d i a ls t r e s so f t h ew e bh o l ea l o n gw i t ht i m ea tt h e o p e r a t i n gm o d eo f s e r v i c eb r a k i n g 图4 4 常用制动5 4 s 时车轮径向应力的分布情况( 以m 4 5 原型车轮为例) f i g 4 _ 4d i s t r i b u t i o no f r a d i a ls t r e s so f t h ew h e e la tt h el i m eo f 5 4 sa tt h eo p e r a t i n gm o d eo f s e r v i c e b r a k i n g ( t a k e 巾4 5p r o t o t y p e sw h e e l sa st h ee x a m p l e ) 苤四重基型童l 动王猩工丝垫廛左厦瘥萤壹佥盆扳 4 4 2 坡道制动工况下热应力 图4 5 给出了不同车轮辐板孔坡道制动工况下径向热应力随时间的变化情况。 图4 - 6 给出了坡道制动结束3 4 4 s 时车轮径向热应力的分布情况( 以巾4 5 原型 车轮为例) 。 图4 7 给出了坡道制动结束3 4 4 s 时各型车轮径向热应力的变化规律。 图4 5 各型车轮辐板孔城道制动工况下径向热应力随时间的变化规律 f i g 4 - 5t h ec h a n g er u l eo f t h er a d i a lt h e r m a l s t r e s so f t h ew e bh o l eo f e a c hw h e e la l o n gw i t l lt i m ea t t h eo p e r a t i n gm o d eo f g r a d eb r a k i n g 图4 咱坡道制动结束3 4 4 s 时车轮径向热应力的分布情况( 以由4 5 原型车轮为例) f i g 4 - 6d i s t r i b u t i o no f r a d i a lt h e r m a l - s t r e s so f t h ew h e e la tt h et i m eo f 3 4 4 sa tt h eo p e r a t i n gm o d eo f g r a d eb r a k i n g ( t a k e4 , 4 5p r o t o t y p e sw h e e l t h ee x a m p l e ) j e 立童通太堂亟主僮途塞 图4 7 坡道制动结束3 4 4 s 时各型车轮辐板孔径向热应力的变化规律( 注：0 代表未经铣 削的圆形车轮) f i g 4 7 t h ec h a n g e r o l e o f n l er a d i a l t h e r m a l s f f e s so f t h e w e b h o l e o f e a c h w h e e la t t h e t i m e o f 3 4 4 s a t t h eo p e r a t i n g m o d e o f g r a d e b r a k i n g ( n o t e ：0r e p r e s e n t 由4 5 p r o t o t y p e w h e e l ) 4 5 坡道制动工况下疲劳寿命分析 4 5 1 雨流计数法“ 将应力( 或载荷) 时间的历程简化为一系列的全循环或半循环的过程叫做“计 数”。已提出的计数法有十多种，它们可以分为两大类：单参数计数法和双参数计 数法。单参数计数法只记录应力( 或载荷) 循环中的一个参量，如变程( 相邻的 峰值与谷值之差，即范围) 或峰值，不能给出循环的全部信息，有较大缺陷。属 于这种计数法的有：峰值计数法、穿级计数法、交程计数法等。双参数计数法可 以记录应力( 或载荷) 循环中的两个参数。由于应力循环中只有两个独立参量， 因此双参数计数法可以记录应力( 或载荷) 循环中的全部信息，是比较好的计数 法。属于双参数计数法的有：变程对均值计数法、雨流计数法等。目前使用最多 的是雨流法。 雨流法由m m a t s u i s h i 和t e n d o 提出。雨流法取一垂直向下的坐标表示时间， 横坐标表示载荷。这是的应力一时间历程与雨点从宝塔顶向下流动的情况相同，因 而得名。 雨流法的计数规则为： ( 1 ) 重新安排载荷历程，以最高峰值或最低谷值为起点( 视二者的绝对 箍四重基型剑动工逸王鳆热廛左厘瘗蒸壹佥盆蚯 值哪一个更大而定) ； ( 2 ) 雨流依次从每个峰( 谷) 值的内侧向下流，在下一个峰( 谷) 处落 下，直到对面有一个比其起点更高的峰值( 或更低的谷值) 停止； ( 3 ) 当雨流遇到自上面屋顶流下的雨流时即行停止。 ( 4 ) 取出所有的全循环，并记录下各自的变程和均值。 例如，一个如图4 - 8 a 所示的载荷。时间历程，在进行雨流法计数时，由于载荷 时间历程的起点不是最高峰值或最低谷值，因此需要将载荷时间历程重新安排。 在重新安排载荷一时间历程时，由于最高峰值点a 为新载荷时间历程的起点，将a 点以后的载荷一时间历程移到c 点前面，使c 点与c 点重合。这样便变成图4 8 b 。 然后，再把图4 8 b 的载荷时间历程顺时针旋转9 0 ，便变成图4 8 c 所示的情况。 在图4 - 8 c 中，鱼流从最高的峰值点a 点起始，向下流动，到b 点后落到b ，再从 b 点流到d 点，然后下落。第二个雨流从b 点的内侧起始，向下流至c ，到c 点后 落下，由于d 点的谷值比b 点低，故雨流停止于d 点的对应处。第三个雨流自c 点的内侧起始，流到b 后遇到来自上面的雨流a b b d ，故停止在b 点。b c 与c b 构成一个全循环b eb ，取出全循环b cb 。第四个雨流自d 点的内侧起始，向下流 到e 点后下落到e 点，再流到i 点下落。第五个雨流自e 点起始，向下流到f 点后 下落到f 点，再向下流到h 点后下落。第六个雨流自f 点的内侧起始，向下流到g 点后下落，由于h 点的谷值比f 点低，故雨流停止于h 点对侧的对应处。第七个雨 流自g 点的内侧起始，向下流到f 处，遇到雨流e ffh 故停止于f 点，取出全循 环龟f 。第八个雨流自h 点的内侧起始，向下流到e 处后，遇到雨流d e e i ，故停 止于e 点，取出全循环e f t he 。而a bbd 与d e e i 又组成全循环a bb d e e i ，取 出全循环a bb d e e i 。至此，已将全部载荷时间历程计数，形成如图4 8 d 所示的 四个全循环。 j t 夏銮通丕芏亟堂焦途奎 图4 8 雨流计数法 f i g 4 8t h er a i nf l o w sm e t h o df o rc o u n t 由图4 5 可知车轮辐板孔制动工况下径向热应力由制动初始径向热应力为零 逐步上升至制动结束3 4 4 s 时最大值，然后随着车轮温度的降低，径向热应力逐步 下降，最后降为0 ，由于时间和硬盘空间的关系，只计算了制动结束后7 5 0 s 内径 向热应力的递减变化情况。按照雨流计数法的观点，车轮辐板孔制动工况下径向 热应力在整个制动一次的过程中，只形成一次全循环。 4 5 2 坡道制动工况下疲劳寿命分析 ( 1 ) 考虑平均应力的影响 首先由g o o d m a n 方程计算平均应力的影响，g o o d m a n 方程式如下： o r _ h = 三蔓吒 ( 4 1 6 ) 0 6 一o m 式中各符号说明如下： o r _ 。为考虑平均应力影响得出的对称循环应力幅值； 吒为实际作用的应力幅值； 吒为平均应力： 盯。为材料强度极限，取7 1 5m p a 。 ( 2 ) 一个制动过程的损伤d 由d i n e r 线性疲劳累计损伤法则，计算各级应力产生的损伤( d ) 的公式如下： d ：步鲁：步墼i ( 4 - 1 7 ) 乞n 铬n a 三 蒸四重夔型劁动工逸王的垫应左星瘗蒸壹盒筮蚯 式中各符号说明如下： ；为各级应力幅值的循环次数； n = i x l 0 次； t l 2 1 6 8 7m p a ； m 值经查资料【，采取对数线性拟合得m = 1 7 1 。 ( 3 ) 运行里程和寿命 已知一个制动过程的运行公里数为l 1 ，一个制动过程产生的损伤为d 1 ：设产 生损伤d 的安全运彳亍里程为l 公里，则： 旦：堕 厶 安全运行里程为： 三：旦l d l 提速货车每年运行公里数为2 0 万公里，安全运行年限即寿命为： k ：上 2 0 0 0 0 0 表4 2 列出了各型辐板孔车轮坡道制动工况下的损伤、安全运行里程和寿命。 表4 - 2 各型辐板孔车轮坡道制动工况下的损伤、安全运行里程和寿命 t a b l e 4 - 2d a m a g e ，t h es a f eo p e r a t i o nc o u r s ea n dt h el i f eo f t h ew e bh o l eo f e a c hw h e e la tt h e o p e r a t i n gm o d eo f g r a d eb r a k i n g 弋 一个坡道制 安全运行 里程寿命( 年) 轮型 动工况的损伤 ( 万公里) 原型孔3 7 4 e 一95 3 4 8 3 6 12 6 7 4 1 8 扩孔5 m m1 7 3 e 81 1 5 6 2 7 85 7 8 1 3 扩孔1 0 m m3 6 0 e 一85 5 5 3 0 42 7 7 6 5 扩孔1 5 m m7 3 5 e - 82 7 1 9 3 41 3 5 9 6 扩孔2 0 m m1 4 7 b 71 3 5 6 0 26 7 8 0 4 6 结果分析 从以上温度场及应力场的分布和疲劳寿命分析，我们可以总结得到以下结 论： 4 7 j e 墓窑逼盔兰亟主堂焦迨塞 1 、在温度场中，常用制动情况下，辐板孔边的温度是持续上升的( 如图4 2 1 ) ， 表明在制动过程中，虽然在踏面上施加的热流密度是逐渐递减的，但是热量从踏 面过渡到幅板孔边需要一定的时间，幅板孔边的热量是不断聚集的；坡道制动情 况下，制动结束后温度有一段平缓期，之后温度依然有上升趋势( 如图4 - 2 2 ) ，表 明在制动刚开始时，热流密度最大，温度升高最为显著，停车时，热流密度为零， 所以温度变化平缓，制动结束后，依然有踏面逐渐过渡到幅板孔边的热量，所以 温度会有缓慢上升趋势。 2 、在热应力场中，常用制动幅板孔边的热应力较小( 如图4 3 ) ，在制动结束 时刻应力达到最大值( 如图4 3 ) ；对于坡道制动，由图4 - 5 可以看出，对于幅板 孔边，制动刚开始时，热应力增加迅速，热应力在制动结束后依然有缓慢上升的 趋势，在制动结束一段时间后才会慢慢下降。这是因为，制动开始时到结束，幅 板孔边始终有从踏面传递来的热量并持续上升，所以温度梯度不断上升，热应力 也不断增大，制动结束后，车轮轮辋内的热量仍然在车轮内部传递，也就仍然会 有由热膨胀不均产生的热应力，所以幅板孔边热应力还会维持上升一段时间，但 车轮热量逐渐向空气的传输，热应力缓慢下降至零。 3 、随着车轮幅板孔铣削量的增加，坡道制动工况下在同一制动时问的热应力 逐渐增加。这是因为随着铣削量的增加，辐板孔的应力集中系数增加的缘故。 4 、制动产生很大的长时，稳态热应力，内侧辐板孔边及其圆周区域上的拉应 力较大，为次零拉脉动疲劳，最大拉应力的位置与车轮辐板孔经常发生裂纹的 位置吻合。 5 、通过对典型制动工况下热应力所引起的疲劳寿命的分析，可以认为制动工 况下的热应力不会引起辐板孔的疲劳破坏。辐板孔的疲劳破坏的原因为辐板孔冲 压加工过程中造成辐板孔表面过于粗糙，遗留表面损伤，从而使得应力集中系数 过大造成。 6 、通过对典型制动工况下热应力所引起的各型车轮辐板孔疲劳寿命的分析， 发现对裂纹后的辐板孔进行周向铣削加工从而消除既有裂纹的措施，不会造成车 轮辐板孔疲劳寿命的急剧下降，进而引起车轮的安全寿命期不符合铁道部相关管 苤四童基型剑动兰况工笪垫廛左盈疲董麦佥盆圭匠 理规定中关于车轮使用寿命不应少于2 5 年的规定。因此加工方案可行。 4 7 小结 本章求解了典型制动工况下车轮的温度场及应力场的分布，并在此基础上进 行了车轮辐板孔的疲劳寿命分析，最后得出结论：对裂纹后的车轮辐板孔进行周 向铣削加工，方案可行。 i e 塞窑通盘堂亟堂垃逭塞 第五章8 4 0 h d 车轮辐板子l 加工设备结构设计 5 1两种设计方案比选 在车辆段施行货车段修、车辆厂施行货车厂修时o “，车轮属于必须探