（车辆工程专业论文）基于有限元法的车轮踏面制动热负荷研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着重载运输的不断发展 列车运行的安全问题越来越突出 制动能力 是保证列车安全可靠运行的重要条件 尤其是我国大秦重载专用线上的长大 坡道循环调速制动的问题尤为突出 我国货车目前制动方式仍然是踏面制动 重载列车车轮在强摩擦 高热负荷以及大轮轨作用力等恶劣条件下工作 热 疲劳损伤已成为重载车轮失效的主要模式之一 本文首先综述了国内外重载技术的特点 介绍了车轮热损伤研究的现状 及发展 研究了车轮热损伤的几种形式和热损伤理论 详细描述了大秦重载 专用线的线路情况 并根据实际线路拟合出线路坡度作为本文热流密度的计 算依据 阐述了车轮温度场和应力场的求解方法 以及耦合分析方法和弹塑 性理论 最后确定温度场和应力场的边界条件以及载荷工况 在理论研究的基础上 计算得到车轮加载的边界条件 利用数值仿真方 法分析了列车牵引1 0 0 0 0 t 重量 制动限速为8 0 k m h 时 大秦重载专用线上 2 3 t 2 5 t 轴重新轮和磨耗到限车轮温度场和应力场进行模拟 并评定车轮的 疲劳强度 在2 5 t 轴重车轮热负荷分析的基础上 改变车轮轮辋厚度以改善 车轮的热损伤 使车轮疲劳强度满足要求 进而在保持条件不变的情况下 研究3 0 t 轴重车轮的温度场和应力场 并探讨其静强度和疲劳强度 仿真计算结果表明 1 在全程制动过程中 车轮踏面最高温度呈现出 先上升随后下降的连续变化 最高温度出现在2 4 3 7 5 m i n 时刻 踏面处的温 度始终是中间高两边低 2 热应力的变化趋势同温度场的一致 最大热 应力同样出现在2 4 3 7 5m i n 时刻 3 各轴重条件下新轮和磨耗到限车轮 的静强度均满足要求 2 3 t 和2 5 t 轴重新车轮的疲劳强度均满足要求 直径 为7 8 6 m m 的2 5 t 轴重磨耗到限车轮的疲劳强度已不再满足要求 对于2 5 t 轴重车轮 当磨耗到直径为8 l o m m 时 车轮的疲劳强度刚好满足要求 4 3 0 t 轴重新轮和磨耗到限车轮的疲劳强度都满足要求 新车轮具有较大的裕 量 而磨耗到限车轮基本接近疲劳极限 2 5 t 轴重车轮的最大磨耗量为 3 0 m m 相同条件下3 0 t 轴重车轮的磨耗量为4 5 m m 关键词 有限元法 车轮 踏面制动 热负荷 强度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh e a v y h a u lt r a n s p o r t a t i o n t h es a f e t yo ft h e r o l l i n gs t o c ki si n c r e a s i n g l yo u t s t a n d i n g t h eb r a k ec a p a b i l i t yi sv e r yi m p o r t a n t t oe n s u r et h es a f e t yo ft r a i n e s p e c i a l l yw h e nt r a i ni so p e r a t e du n d e rt h ec o n d i t i o n o fl o n gr a m pc y c l eb r a k i n gi nd a t o n g q i n h u a n g d a oh e a v y h a u ll i n e f o r t h e f r e i g h tt r a i n t r e a db r a k i n gi s s t i l lt h em a i nb r a k i n gt y p e s ot h eh e a v y h a u l w h e e l sa r ew o r k i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fm o r es t r o n gf r i c t i o n h i g hh e a tl o a d a n dl a r g ew h e e l r a i li n t e r a c t i o nf o r c e a b o v ea l l t h e r m a lf a t i g u ed a m a g ei so n e o ft h em a i nf a i l u r et y p e sf o rh e a v y h a u lw h e e l i nt h i sp a p e r t h ef e a t u r e so fh e a v y h a u lt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d w e r er e v i e w e d f i r s t l yt h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to ft h e r m a ld a m a g er e s e a r c ho f w h e e l sw e r ei n t r o d u c e d t h e nt h e r m a ld a m a g ef o r m sa n dt h e o r yw e r es t u d i e d s u b s e q u e n t l y t h ec o n d i t i o no fd a t o n g q i n h u a n g d a oh e a v yh a u ll i n ew a s d e s c r i b e da n db a s e do ni t sa l ll i n er a m ps e t t i n g st h eh e a tl o a dw a so b t a i n e d t h e s o l u t i o nm e t h o d sf o rt e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l d t h ec o u p l e df i e l da n a l y s i s m e t h o da n dt h e e l a s t i c p l a s t i ct h e o r y w e r es t u d i e d f i n a l l yt h eb o u n d a r y c o n d i t i o nf o rt e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l ds o l u t i o n sw e r ed e f i n e da n dl o a d c a s e sf o rs t r e n g t ha n a l y s i so fw h e e lw e r ea l s oc o n f i n e d b a s e do nt h e r m a lt h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h eb o u n d a r yc o n d i t i o no ft h eh e a t a n a l y s i sf o rw h e e lw a sc a l c u l a t e d w h e nt h et r a c t i o nl o a do ft r a i n si s 10 0 0 0 ta n d t h eb r a k i n gs p e e dl i m i ti s8 0 k m h t h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do ft h e2 3 t a n d2 5 ta x l el o a dw h e e l sw e r es i m u l a t e di nd a t o n g q i n h u a n g d a oh e a v y h a u ll i n e t h e nt h es t a t i ca n df a t i g u es t r e n g t ho ft h ew h e e l sw e r ea s s e s s e d a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i s r e s u l t so f2 5 ta x l el o a dw h e e l i no r d e rt o s a t i s f y t h e s t r e n g t h r e q u i r e m e n to fw h e e l h e a td a m a g em u s tb ed e c r e a s e db yi n c r e a s i n gt h et h i c k n e s s o fw h e e lr i m w i t ht h es a m ec o n d i t i o n s t h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do f t h e3 0 ta x l el o a dw h e e l sa n di t ss t r e n g t hb e h a v i o rw e r ea l s or e s e a r c h e d t h ef o l l o w i n gr e s u l t sc a nb eo b t a i n e d 1 d u r i n gt h ec y c l eb r a k i n g t h e t e m p e r a t u r eo ft h et r e a dc h a n g e sa l t e r n a t i v e l ya n dt h em a x i m a lt e m p e r a t u r e o c c u r sa tt h eb r a k i n gc l o c k2 4 3 7 5 m i n t h et e m p e r a t u r eo ft h et r e a di sh i g hi nt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 m i d d l ep o s i t i o na n dl o wi nb o t hs i d e s 2 t h ec h a n g et r e n do ft h eh e a ts t r e s si s t h es a m ea st h et e m p e r a t u r e t h em a x i m a lh e a ts t r e s sa l s oa p p e a r sa tt h eb r a k i n g c l o c k2 4 3 7 5 m i n 3 t h es t a t i cs t r e n g t hr e q u i r e m e n to fa l lk i n d so fa x l el o a d w h e e l si ss a t i s f i e d t h ef a t i g u es t r e n g t hr e q u i r e m e n to fn e w2 3 ta n d2 5 ta x l el o a d w h e e li ss a t i s f i e d b u tt h ef a t i g u es t r e n g t hr e q u i r e m e n to ft h ew e a r2 5 ta x l el o a d w h e e lw i t ht h ed i a m e t e ro f 7 86 m mi sn o ts a t i s f i e d f o r2 5 ta x l el o a dw h e e l w h e n t h ed i a m e t e ro fw h e e li s810 m m t h ef a t i g u es t r e n g t hr e q u i r e m e n t j u s ti ss a t i s f i e d 4 t h es t a t i ca n df a t i g u es t r e n g t hr e q u i r e m e n to f3 0 ta x l el o a dw h e e la r e s a t i s f i e d f o rt h en e ww h e e l t h es t r e n g t ha l l o w a n c ei sr e l a t i v el a r g e b u tt h e s t r e n g t hb e h a v i o ro ft h ew e a rw h e e li sv e r yc l o s et ot h ep e r m i t t e dv a l u e t h e m a x i m a lw e a rl o s so fw h e e lr i mo f2 5 t a x l el o a dw h e e li s3 0 m m w h i l et h e m a x i m a lw e a r o s so f3 0 ta x l e o a dw h e e i s4 5 m m k e yw o r d s f i n i t ee l e m e n t w h e e l t r e a db r a k i n g h e a tl o a d s t r e n g t h 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规 定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影 印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密囹 使用本授权书 请在以上方框内打 学位论文作者签名 三宏趴 日期 刎矿 胆 厂千 艚棚签名群 日期 纱d 莎 厶 k 户 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研 究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确的说明 本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担 本学位论文的主要创新点如下 1 本文基于大秦重载专用线牵引1 0 0 0 0 t 制动限速为8 0 k m h 的条件 采用有限元软件仿真分析了全程制动下2 3 t 2 5 t 轴重车 轮温度场和应力场分布 并对其疲劳强度进行了评定 2 在2 5 t 轴重车轮热分析的基础上 研究了车轮的磨耗量 并 对3 0 t 轴重车轮作了可行性分析 为我国今后铁路重载技术发展提 供了理论依据 学位论文作者签名 工宏状 日褥 城 侈l 气 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 铁路货运的经济效益 社会效益体现在运输货物的数量上 在现有站线 长度的情况下 为进一步提高繁忙干线的运输能力 在提高车辆运行速度的 同时 应对货车重载技术和车辆结构轻量化技术进行研究 提高单车载重量 世界各国重载铁路借助于采用新技术 促使重载列车牵引重量不断增加 重载运输技术在越来越多的国家应用 不仅在幅员辽阔的大陆国家 如美国 加拿大 澳大利亚 南非等国 重载铁路上大量开行重载列车 而目前在欧 洲传统以客运为主的客货混运干线铁路上也开行重载列车 2 0 0 5 年国际重载运输协会 i h h a 的巴西年会上 已对重载运输的定义作 了新的修订 重载列车牵引重量至少达到8 0 0 0 t 以前为5 0 0 0 t 轴重 或计 划轴重 为2 7 t 及以上 以前为2 5 t 在至少1 5 0 k m 线路区段上年运量超过 4 0 0 0 万吨 以前为2 0 0 0 万吨 其复线年货运量在2 亿吨以上 1 j 各国铁路运输的实践证明 增加车辆单车载重是提高运输效率重要的途 径之一 根据国外的经验 加大车辆轴重是必然趋势 北美 澳大利亚 南 美 南非和瑞典等地的铁路 都通过增大轴重显著降低了运营费用 根据世界铁路发展经验 货运重载 客运高速已是铁路运输发展方向 鉴于中国铁路线路除大秦重载专用线和秦沈客运专线外都是客货混跑的国 情 为了使货车速度与提速客车相匹配 提高线路综合运输能力 中国提出 了货运重载与提速并举的技术政策 繁忙干线运行货车的速度需达到 1 2 0 k m h 1 2 j 此外 重载运输除了考虑专线的重载列车方案外 还着眼于大 范围的繁忙线路上大宗货物的重载运输 通过在行车密度已趋饱和的线路开 行重载列车 在线路通过能力有限的条件下获得更大的运力 缓解铁路运能 不足的矛盾 发展重载运输 大幅度地提高列车重量是铁路扩能提效的一种 有效途径 已成为我国铁路货运的发展方向 也是我国国情路况的必然产物 然而 由于列车重量增大 长度增加 车辆轴重增大 列车运行中的牵 引力及制动力加大 制动波传递时间加长 而且列车所占的线路纵横端面比 较复杂 因此 重载列车的受力情况远较于一般列车复杂 列车的冲动 断 钩 脱钩 脱轨 以至货物及车辆设备损坏增多 线路变形及轮轨磨耗加剧 等 已成为重载铁路运输中突出的问题 8 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 为使重载运输获得更好的效益 必须实施货车大型化 提高货车单车载 重 货车大型化的优点 一是随着载重的增加 其每延米轨道载重增加 在 一定长度站线条件下 列车牵引吨位增加 运能提高 运输效益提高 二是 随着载重的增加 其自重系数减小 在同样牵引吨位时 净运货量增加 三 是随着单车载重的增加 装卸车效率相应提高1 2 j 由许多国家发展重载运输的经验可知 发展大型货车的主要途径是提高 轴重 为保证重载列车的安全运行 制动系统起着重要的作用 随着今后重 载提速的发展 对制动系统也必将有更高的要求 车轮踏面制动是我国货车 车辆最基本的制动方式 车轮作为货车的重要行走部件 不仅承受机械载荷 还要承受制动热载荷 随着机车车辆速度的提高和轴重的增加 车轮的热应 力和机械应力也相应的增加 热负荷会形成轮辋裂纹 踏面裂纹缺损 擦伤 以及辐板裂纹等多种破坏方式 随着列车速度和车辆轴重的不断增加 必然 导致车轮制动热负荷的恶化 而对车轮的热损伤和疲劳寿命带来重大的影响 重载列车采用大轴重车辆必然要求制动力相应地提高 闸瓦压力增加必 然导致制动热负荷的恶化 由于合成闸瓦导热性差 车轮在制动过程中要吸 收更多的热量 因而更易使车轮受到热损伤 对于踏面摩擦制动而言 过大 的制动功率会导致摩擦副的损伤 磨耗加剧 车轮踏面出现热斑 裂纹和剥 离等 高速制动过程产生大量摩擦热 加剧了车轮因冷热变化引发的疲劳失 效问题 给高速列车的安全运行带来极大的隐患 同时增加了铁路检修成本 目前我国铁路经几次大提速后 车轮的踏面损伤越来越严重 已经阻碍了铁 路运输的进一步高速化发展 因此急需重点研究车轮的疲劳可靠性 随着列车编组辆数的增加必然会增加充气时间 影响列车后部车辆的充 气压力 尤其是长大下坡道上的再充气作用对重载列车的运行安全性有重大 影响 众所周知 列车在长大下坡道上运行时 为克服下坡道的自然加速作 用 不得不采用多次循环制动的空气减压方式 在紧急制动状态 由于制动 时间比较短 热量来不及向轮辋内部传导 车轮辐板变形较小 因而车轮关 键部位应力并不高 而坡道循环制动比紧急制动运行时间更久 热量长时间 输入到车轮踏面并有足够时间向轮辋内部传导 辐板区更容易产生高温和高 应力状态 因此坡道循环制动是列车运行的一种典型工况 3 j 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外重载运输概况 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 从2 0 世纪7 0 年代开始 世界铁路技术发达国家大力发展重载运输 铁 路货车的载重量不断提高 使铁路运输获得了良好的经济效益 货运重载化 己成为世界各国运输现代化的重要标志 重载铁路运输能充分发挥铁路集中 大宗 长距离 全天候运输的优势 可在一定的路网条件下有效提高运输能力 运输效率和运输效益 1211 国外重载运输发展 目前世界铁路货车重载技术发展主要以美国 加拿大 澳大利亚 南非 巴西等国家为典型代表 车辆轴重大 载重大 自重轻及列车牵引吨位大 1 美国铁路重载货车运输t 5 1 美国在重载运输方面起步较早 早在上世纪5 0 年代末 美国南太平洋铁 路公司采用由8 5 辆载重量9 07 t 的矿石车编成总重近万吨的列车 现绝大多 数轴重为2 9 8 t 和3 24 t 也有少量货车轴重为3 5 7 t 其载重大多数为9 0 7 1 2 0 t 列车编组 普通列车为7 0 15 0 辆 牵引吨位为6 0 0 0 1 5 0 0 0 t 运煤 专列为1 7 5 0 0 2 0 0 0 0 t 运行速度一般为8 0 9 6 k m h 美国铁路货车的主要发展是提高轴重 减轻自重 从而提高装载能力 目前 美国货车轴重3 0 t 以上的占总数的6 5 大型高边敞车轴重达3 5 t 美 国运煤车辆多采用大轴重敞车和漏斗车两种车型 其特征一是采用轻型材料 一是采用新型结构 图1 1 美国重载运输 2 南非重载货车运输 6 南非铁路从上世纪6 0 年代后期引进北美重载运输技术用于窄轨上 并结 合自己的特点进行了改造 取得了较好效果 现煤车轴重为2 6 t 载重为8 4 t 列车编组为2 0 0 辆 牵引吨位为2 0 8 0 0 t 运行速度为6 0 7 0 k m h 左右 少 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 量车辆安装e c p 电空制动装置 以实现车辆同步制动 减少列车纵向冲动 列车最高速度也提高到8 0 k m h 矿石车轴重为3 0 t 载重为1 0 0 t 列车编组 为2 1 6 辆 牵引吨位达2 5 9 2 0 t 运行速度一般为5 0 6 0 k m h 最高达7 0 k m h 运煤敞车车体大多采用不锈钢材制造 其2 6 t 轴重运煤车辆自重为2 0 t 载重为8 4 t 容积为8 57 m 3 j 笠 1 2 南非重载运输 3 澳大利亚重载货车运输 澳大利亚重载技术是在引进北美重载运输技术上发展起来的 现轴重为 2 5 t 3 0 t 和3 5 t 部分矿石车轴重为4 0 t 载重为9 5 9 8 t 少量达1 1 0 1 2 0 t 2 0 0 4 年末澳大利亚重载煤炭 矿石列车一般编组辆数为1 9 2 2 4 0 辆 平均牵引重量为1 7 4 5 0 2 9 0 0 0 t 列车长度为2 0 0 0 2 3 0 0 m 车辆总重多为 1 0 0 t 和1 2 0 t 的煤车 少量矿石车总重达1 6 0 t 其运行速度一般为空车8 0 k m h 重车6 0 k m h 澳大利亚运煤车多采用漏斗车形式 车体材质为不锈钢 也有少量采用 高强度耐候钢材 其3 0 t 轴重运煤漏斗车为不锈钢时自重为2 2 2 3 t 碳钢时 自重为2 5 t 左右 容积为1 0 8 m3 4 0 t 轴重矿石敞车自重为2 1 1 6 t 容积为 6 2 1 1 1 3 澳大利亚重载列车采用大功率机车 大轴重专用货车 货车最大轴重为 4 0 t 编组为1 2 0 辆以上 列车总重一般为2 0 0 0 0 t 以上 从1 9 9 6 年以来 相 继开通了7 万吨和1 0 万吨列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 圈1 3 澳大利亚3 0 t 轴重运煤敞车 4 巴西重载货车运输 巴西铁路货车轴重最大为3 2 5 t 编组为2 0 6 辆 编组重量达2 7 万吨 其2 f i t 轴重的货车最大编组为3 2 0 辆 编组重量达3 2 万吨 12 12 国内重载运输的发展 最近l o 年来 我国重载技术得到了迅速发展 重载运输已形成规模效应 站线长度为8 5 0 m 1 0 5 0 m 专用线路上站线长度为1 7 0 0 m 大秦线上已经达 到2 8 0 0 m 为开行重列车提供了条件 沪宁线 京山线 沈山线 哈大线 京广线一北京至武汉 陇海线徐州 至郑州和侯月线已普遍开行5 0 0 0 t 级重载列车 孟宝线 京秦线段甲岭一秦 皇岛开行了5 0 0 0 t 级重载列车 北同蒲线一大新韩家岭开行了1 万t 和5 0 0 0 t 重载列车 神朔线列车重量为5 0 0 0 t 和6 0 0 0 t 大准线列车重量为5 0 0 0 t 和 1 0 0 0 0 t 2 0 0 6 年 大秦线列车牵引吨位已统一为1 0 0 0 0 t 和2 0 0 0 0 t 每天开 行1 0 0 0 0 t 列车7 0 对 2 0 0 0 0 t 列车1 2 对 c c6 3 c c 8 0 c 7 0 和c 3 0 b 等适宜于重载编组的各型车辆相继投入使用 其中载重8 0 t 的c 釉已经成为 大秦线上的主型重载车辆得到推广应用 重载列车的开行提高了线路运输能力和运输效率 如京广线新乡一武昌 货运密度达到6 0 0 0 7 0 0 0 万t k i n 京山线达7 9 0 0 万t k m 大秦铁路2 0 0 2 年运量达到10 3 4 亿t 2 0 0 4 年运量达到15 1 6 亿t 2 0 0 5 年运量达到20 3 0 亿t 2 0 0 7 年运量已经突破3 亿t 大秦线只用了1 2 年就收回了全部投资 其劳动生产率为全路货运平均劳动生产率的3 倍 标志着我国铁路重载运输 水平跃上新的台阶 也为发展符合中国国情的单元式重载列车运输积累了经 验 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 随着国民经济的快速发展的需要 铁路运能与运量的矛盾更加突出 尤 其是近两年 铁路货运需求满足率仅能达到3 0 至4 0 我国是能源消费大 国 能源 煤炭 运输主要为西煤东运 尽管煤运数量在扩大 运输速度在 加快 但仍然不能满足需要 全国日均请求满足率不到6 0 特别是今年南 方罕见雪灾 更加尖锐地反映出运能与运量间的突出矛盾 到2 0 10 年 我国 铁路货物运输量预计将达到3 5 亿吨 与2 0 0 5 年相比增长3 0 左右 其中煤 炭运量将达到1 5 亿吨左右 较2 0 0 5 年增长4 0 所以不论从技术上还是从国民经济发展来说 加快发展大轴重 大载重 货车不仅可行而且已经成为必然 1 2 2 国内外轮对热损伤研究的发展 磨耗 疲劳和热损伤是决定车轮寿命的主要因素 其中轮缘磨耗及踏面 磨耗在重载单元列车运用中成为主要的制约因素 由于踏面制动异常 车轮 过热会导致轮辋内残余应力分布明显变化 造成金相损伤 热裂纹和车轮变 形 疲劳裂纹的产生和不断扩大及产生更高的动载会增加车轮故障的危险性 国内外重载运输实践证明 由于机械载荷 制动热负荷大幅度增大 机械损 伤 磨损 接触疲劳 和热损伤 热裂 制动剥离 会同时成为车轮使用过程中 的突出问题 因此 国内外专家和学者从车轮和闸瓦结构 材料以及运用着手 研究 了车轮热损伤的原因 1 重载牵引使用的轮对多数是直辐板或s 形辐板结构 究竟哪一种结 构抗热伤损更好 有待进一步的研究 抗机械损伤性能主要由材料强度决定 而抗热损伤性能则主要由材料韧性和相变特性决定 在确保高强度的基础上 尽可能提高韧性并改进加热 冷却过程中的相变特性 这是车轮损伤的着眼 点 法 英 意 联邦德国和日本等国家都在冶金方面做了大量工作 试图 研制能够有效地抑制热裂纹的车轮材质 但所有这些新材质车轮的试验结果 都没有克服热裂纹的问题 特别是对改善车轮长期运用中的热疲劳问题上 没有明显的效果 因此 不对材质提出更高的要求 2 热裂纹是因车轮踏面反复快速加热和冷却产生的 车轮滚动与闸瓦制 动的联合作用使裂纹在踏面圆周上扩展 但是最终导致车轮断裂并不是由于 滚动进一步作用的结果 而是热负荷反复作用的结果 因此 闸瓦对车轮的 热影响 车轮的受热极限等问题一直为各国铁路所关注 英国德比研究所曾就合成闸瓦与车轮的关系作了大量的试验 认为车轮 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 踏面局部热斑温度超过9 0 0 0c 可能使轮箍断裂 超过7 0 0 c 将产生明显裂纹 超过6 0 0 0 c 产生允许裂纹 超过4 0 0 c 不会产生裂纹 闸瓦弹性模量高 贴合 性差 容易引起局部高温 为防止车轮热裂 车轮表面最高温度不得超过 6 0 0 0 c 闸瓦压缩模量不得超过1 0 1 0 3 m p a 9 j 德国的h e r m a n nj s c h r o e d e r 的试验结果表明 踏面制动的轴平均制动功 率极限为3 4 0 k w 超过这个极限 车轮踏面将因为吸收过多的热量而产生裂 纹 9 专家学者通过大量数值仿真 研究了车轮在不同制动形式下 温度场和 热应力场状态 c h k n c e n e b 等采用轴对称模型计算了各种制动工况下不同轮辋厚度 的整体辗钢车轮的温度场 变形和应力 制动产生的瞬时高拉应力已接近材 料的屈服极限 持续坡道制动 制动结束时最高温度达到6 0 0 0 c 但没考虑 机械载荷的影响 3 引 1 9 9 8 年 l r a m a n a n r k r i s h n ak u m a r 等使用有限元软件a b a q u s 和 i d e a s 对铁路车轮进行了热 机显式耦合有限元分析 模型中考虑了轮轴和 轮轨的接触 2 引 美国c a m e r o nl o n s d a l e 等在 重载货车车轮热负荷问题的探讨 一文中 讨论了重载货车制动热负荷对车轮的影响 按照a a rs 6 0 0 标准建立了直径 为9 1 5 m m 的二维货车车轮有限元模型 分别对不同厂家生产的车轮进行了 分析 结果表明 坡道制动2 0 m i n 以9 6 6 k m h 运行的j 3 6 二次磨耗车轮 的踏面最高温度可超过5 0 0 0 c 最大应力达6 9 5 1 m p a l l 北京交通大学研究生刘云在2 0 0 3 年曾对提速货车车轮的温度场及热应 力场进行了数值模拟 其将模型简化为二维模型 考虑了热流密度在摩擦面 上随时间和空间位置的变化 但只考虑了热传导 所有计算均未考虑辐射换 热 5 7 2 0 0 3 年关莹在研究接触问题和热一机耦合问题数值方法的基础上 采用 有限元分析软件m s c m a r c 建立了踏面制动和盘形制动的多体接触计算模 型 用f o r t r a n 语言编写定义初速度的用户子程序 对两种制动过程热一机耦 合进行了数值仿真 定量给出了主要制动部件在不同初速度 不同制动力下 各个时刻的速度 应力和温度的变化规律 7 2 j 2 0 0 6 年西南交通大学研究生刘俊红对重载货车踏面制动温度场和应力 场进行了分析研究 其模型为三维模型 分析了紧急制动和长大坡道制动下 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 车轮的温度场和热应力场 以及评定了车轮的疲劳强度 9 1 2 0 0 7 年 卢立丽在货车车轮踏面制动热损伤研究一文中 根据试验的 c l 6 0 钢力学本构关系的基础上 对车轮在热负荷增加的情况下引起的温度 场 热应力场进行了数值仿真 其采用二维模型 并没有考虑机械载荷和热 载荷共同作用下的应力1 1 0 j 2 0 0 7 年 郑红霞详细地分析了货车车轮辐板孔裂纹形成的原因 并研究 了疲劳扩展特性 该文采用三维模型 分析了2 1 t 轴重常用制动 紧急制动 和坡道制动下车轮的温度场和热应力场 重点研究了在机械载荷和制动热负 荷下辐板孔的疲劳强度拉 彭丽在2 0 0 7 年根据实测数据研究了大秦线全程制动条件下货车车轮的 温度场和热应力场 该文采用了轴对称模型 没有考虑机械载荷和辐射的影 响f 2 6 目前国内针对车轮踏面制动过程中的温度场以及热应力场的仿真模拟 时 由于车轮本身的结构相对简单 为了计算方便的考虑 一般是将车轮模 型简化为轴对称的二维有限元模型来计算 而结果只能对踏面温度场和热应 力场有一个大致的描述 并且主要研究车轮在紧急制动条件下温度场和热应 力场的状态 对于长大坡道制动研究比较少 尤其是大秦线全程循环制动的 情况 1 3 本文主要内容 列车在长大下坡道上运行时 由于重载列车的牵引重量大 机车的动力 制动能力相对薄弱 为控制列车速度 不得不运用空气制动进行循环制动 即制动一缓解一再制动一再缓解 本文根据大秦线实际路况 研究了大秦线重车方向全程制动条件下的2 3 t 和2 5 t 轴重车轮的温度场和热应力场 并评定车轮的疲劳强度 进而根据疲 劳强度探讨了车轮的磨耗量 鉴于重载运输的发展 轴重从2 3 t 提高到2 5 t 甚至增加到3 0 t 由于我国目前尚未在实际中使用3 0 t 轴重的车轮 但它已经 成为铁路重载技术未来发展的方向 本文借鉴美国3 0 t 轴重车轮的几何尺寸 建模 分析了在大秦线上车轮的温度场 应力场以及评定车轮的强度 本论文主要进行以下的研究内容 第一章介绍课题的研究意义 国内外重载运输的发展以及车轮热分析相 关研究的情况 综述了车轮热损伤产生的原因 确定本论文的研究方向和任 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 务 第二章简要介绍了热负荷对车轮的影响 归纳了车轮热损伤的几种形式 详细描述了我国大秦线路的情况 进而确定车轮在大秦重载专用线上仿真模 拟的数据依据 第三章介绍了车轮温度场和应力场的数学模型 简要描述了温度场 热 接触和热应力的有限元求解方法 研究了弹塑性理论以及弹塑性问题的有限 元方法 探讨了温度场以及应力场边界条件的确定方法 第四章着重地分析了2 3 t 和2 5 t 轴重新轮和磨耗到限车轮温度场及热应 力场 比较了不同轴重车轮的温度 确定了车轮直线运行 曲线运行和道岔 通过三种载荷工况的应力 根据不同载荷工况下的节点应力分布信息对车轮 进行强度的评定 第五章探讨了改善车轮热损伤的措施 在前一章的基础上研究了2 5 t 轴 重车轮轮辋厚度对车轮热损伤的影响 进而研究3 0 t 轴重车轮的热分析状况 最后进行强度的评定 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章车轮热损伤研究 2 1 车轮热损伤研究 2 1 1 车轮热损伤形式 车轮在轨道上运行时 除了受到轨道传递来的各种静 动作用力外 还 遭受制动带来的热负荷 尤其在重载运输条件下 由于轴重的增加和制动功 率加大 使车轮的运用条件更加恶劣 国外重载车轮的运用表明 影响车轮 使用寿命和运行安全性的主要故障一磨耗 疲劳和热裂 在车轮踏面上 热负荷可能导致3 种类型的车轮问题 即热裂纹 热失 效和由于踏面上大量制动热输入产生的热机剥离 在这里不涉及由于车轮在 钢轨上滑动产生的车轮踏面剥落问题1 1 1 1 热裂纹问题 热裂纹的存在可导致车轮踏面严重的疲劳破坏 据研究发现 车轮踏面 经历着严酷的制动热作用局部应力反向 出现残余拉应力现象 2 应力反向问题 局部应力反向问题发生原理如下 当闸瓦作用到滚动的车轮踏面上时 由于摩擦作用踏面受热 踏面表面材料由于热膨胀而受到冷的车轮轮辋部分 和辐板的约束 如果制动作用使踏面温度足够高 材料的屈服强度将因此降 低 则在这种热膨胀和约束作用下 踏面受热部分将可能发生屈服而出现塑 性变形 冷却收缩之后 要保持材料内部的连续性 踏面表面就处于受拉伸 状态 如果货车车轮经历十分严酷的制动热循环的作用 将可能出现热疲劳 裂纹并扩展 尤其是在高载重并且 或者 接近报废轮辋厚度的情况下 3 热失效问题 如果轮辋热输入过高 将导致车轮踏面出现应力反向的现象 从而导致 热失效 一旦生产过程中引入的残余压应力转变成拉伸应力 则对车轮疲劳 裂纹萌生的保护作用将不复存在 这时一旦轮辋带裂纹 车轮受到足够高的 拉应力作用 将引起突然的断裂失效 4 热机剥离问题 热机剥离发生的条件为接触应力伴随高温过程的出现 在热机剥离过程 中 踏面高温 引起踏面材料强度降低 和高接触应力引起疲劳裂纹 如果车 轮踏面强度没有降低 踏面高温和接触应力对车轮踏面不会产生任何破坏 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 寻找制动热产生的踏面表面的球状珠光体 将是发现热机剥离的重要线索 在热机剥离过程中 没有马氏体形成 裂纹萌生在踏面表面 通常在车轮的 检查中能发现这些热裂纹 一般分布较紧密 图2 1 踏面剥离 2 12 车轮热损伤机理 国外对列车车轮热损伤机理进行过不少试验研究 主要有以下三种观 点 马氏体理论 高应变疲劳理论和热疲劳理论 三种理论基于损伤原因均 由热疲劳所引起 很难截然分开 而从断裂角度来看更是如此 当车轮踏面 热影响层厚度为0 2 m m o 5 m m 时 热疲劳应力将促进横向裂纹的萌生 裂纹 扩展则以接触疲劳应力为主 主裂纹向内扩展时 热应力和组织应力减少 接触应力逐渐对裂纹的扩展起主导作用 此时疲劳裂纹逐渐转向并出现一次 裂纹 若踏面上热影响层较厚时 疲劳裂纹的扩展以热疲劳应力为主 有可 能使车轮产生径向崩裂 将会严重危及行车安全 踏面热影响层主要是因闸 瓦摩擦制动所引起 日本的竹原繁夫认为 由于车轮温度的急剧升降 轮辋处的残余拉伸应 力不断积蓄 增大 当超过材料的断裂强度时就发生龟裂 这种龟裂往往成 为疲劳裂纹源 进一步发展时 热裂纹尖端的应力扩展系数k 超过材料断裂 韧性值就造成了车轮的破损 如图2 2 所示 断裂韧性值可通过化学成分来 改善 另外 加大辐板偏心 改进轮相和辐板的形状可大幅度地降低残余应 力 4 3 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 2 车轮破损不葸图 2 1 3 车轮热疲劳损伤的影响因素 影响车轮热疲劳损伤的因素主要有以下四方面 5 3 1 循环温度 试验表明 提高热循环上限温度 将使试样所受的温度及应力幅增大 显著地降低试样的热疲劳损伤寿命 2 物理及力学性能 一般认为 车轮因热疲劳而产生的热应力的大小与车轮材料的线膨胀系 数口和导热率旯有关 口愈大 则兄愈小 车轮的热疲劳抗力便愈差 而低口 高见值的车轮变形小 热疲劳寿命较长 3 应力状态 p i s t o r i u s 和m a r a i s 等人利用c o f f i n 模型对列车钢制轮箍作了热疲劳损伤 模型试验 试验表明 试样中最初残余应力值对试样在热疲劳损伤中拉伸应 力的增长影响很小 因此 新车轮踏面部分的残余应力不会影响热疲劳裂纹 的萌生 文献 2 3 对失效车轮的分析后指出 踏面热影响层部位为残余周向 拉应力状态 是热疲劳裂纹萌生和扩展的主要应力条件 在踏面热影响层部 位萌生出的主裂纹垂直于周向应力 沿车轮径向发展 疲劳断口较平坦并具 有韧性断裂的形貌特征 4 组成因素 若要提高车轮热损伤抗力 强度 硬度高与m 温度高都是需要的 前者 要求提高含碳量 后者要求降低含碳量 或含锰量 这个矛盾可通过降碳增 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 硅的办法解决 影响车轮热疲劳抗力的因素主要有循环温度 物理力学性能 应力状态 及组成元素等 彼此互相关联 温度幅的提高会降低车轮的热疲劳损伤寿命 高断裂韧性值可延长车轮热疲劳损伤寿命 车轮内的残余压缩应力能提高其 热疲劳损伤抗力 高m 温度 高强度和高硬度有益于车轮热疲劳损伤抗力的 提高 2 2 大秦重载专用线概述 2 2 1 线路地理位置 大秦铁路西起山西省大同市 东至河北省秦皇岛市 是我国北方煤炭外 运的主要通道 线路全长6 5 3 k m 海拔高差约11 0 0 米 主要承担晋北 陕西 内蒙古西部煤炭的外运任务 该线始于北同蒲线的韩家岭车站 向东经山西 省大同市 阳高至河北省的阳原 宣化 琢鹿 怀来与京包线相交 进入北 京市的延庆 昌平后 在怀柔又与京承铁路相接 然后再经平谷 河北三河 天津蓟县 再至河北省的玉田 遵化 迁安 迁西 卢龙 抚宁等县市 最 后抵达秦皇岛 全线途经2 0 个县市 如图2 3 所示 大秦线是我国第一条单 元重载双线电气化铁路 担负着山西 陕西和内蒙西部 简称 三西 煤炭 外运的重要任务 1 9 8 8 年第一期工程韩家岭至大石庄投入运营 1 9 9 2 年二期 工程大石庄至柳村南竣工 全线开通 6 引 图2 3 大秦线地理位置图 大秦线目前承担着全路约1 5 的煤炭发送量 是我国北路煤炭运输的重 要通道 大秦线建设至今 对加速山西 蒙西 陕西煤炭基地的开发 改变 华东及沿海地区煤炭严重不足的局面 促进煤炭外贸出口及国民经济的发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 等方面发挥了举足轻重作用 大秦线自1 9 9 0 年正式开通以来 以开行5 0 0 0t 1 0 0 0 0t 级的煤炭专用 列车为主 为我国国民经济的发展做出了重大贡献 近年来由于不断增长的 能源需求 大秦线的煤炭年运量己从2 0 0 3 年的12 亿t 增长为2 0 0 5 年的2 亿t 2 0 0 6 年完成25 亿t 2 0 0 7 年增加到3 亿t 2 0 0 8 年将增加到3 4 亿t 预计2 0 0 9 年将达到4 亿t 己远远超过2 0 世纪8 0 年代大秦线原设计的1 亿 t 年运量要求 图2 4 大秦线重载运输 大秦铁路与京承 京秦 京山等多条干线接轨 是重要的运输通道 因 此设计要求较高 在线路纵断面方面 由于地理条件所限 具有地形复杂特 别是长大坡道多的特点 如图2 5 所示 目 埘 堆 掣 蠼 里程标 k m 图2 5 大秦线纵断面示意图 瑚m咖螂嫩瑚咖铷枷瑚枷啪 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 大秦线西段有两段长大下坡道 k 1 4 3 一k 1 9 0 平均坡度为一8 2 k 2 7 5 一k 3 2 5 平均坡度为 9 1 其中以k 2 8 6 一k 3 0 7 铁炉村 下庄 平均坡 度为 1 0 5 以上的长大下坡道区间为大秦线重载列车运行操纵最困难的区 间 2 引 本文在大秦线实际路况的基础上模拟循环制动下车轮的温度场和应力 场 由于图2 5 的实际线路曲线比较复杂 对其进行了简单的拟合 如图2 6 所示 该图作为本文计算的数据依据 量 蜊 惶 辍 蜓 里程标 k i n 图2 6 大秦线路简图 2 2 2 主要技术标准 大秦重载专用线上的主要技术指标如下 6 5 j 线路等级 i 级 正线数目 双线 限制坡度 重车方向4 空车方向1 2 最小曲线半径 一般8 0 0 m 困难4 0 0m 牵引种类 电力 机车类型 s s 改 牵引质量 重车方向6 0 0 0 t 5 0 0 0 t 4 0 0 0 t 1 0 0 0 0 t 双机 轻车方向2 3 5 0 t 到发线有效长度 1 0 5 0 m 部分1 7 0 0 m 闭塞类型 自动 自2 0 0