车轮车轴问题研究.docVIP

第四篇 关于车轮、车轴问题的研究一辆100吨平板车有两个转向架，共有4对车轮，设计轴重34吨。一般机车、车辆车轮的轴重都在25吨以下，因此该车轴的受力都是很大的，我们对此加以研究，分析掌握它的特点，可以更好地使用它或延长它的使用寿命。车轮、车轴装配简图及主要尺寸：车轴的有关数据内 容说 明备 注车轴材料车轴钢(铁道车辆用钢LZ50TB/T29451999)，抗拉强度610Mpa、屈服强度345MPa过去车轴用的是40车轴钢；（40车轴钢的抗拉强度为550600MPa）车轴重量640 Kg车轴和滚动轴承装配最大过盈0.074mm、最小过盈0.027mm将滚动轴承拉出的力在9.5吨2.1吨之间车轴和车轮装配要求压入吨位应在85130吨之间车轴和车轮装配平均过盈量为0.18mm、压入90吨、压出110吨一批车轮压装时，应加工1件进行先期压装，根据压装力大小，再定出合适的过盈量进行其它车轴、车轮的加工。车轴和车轮装配平均过盈量为0.25mm、压入130吨、压出150吨、参考值与车轮孔配合表面240最大242、最小238车轴中间部分220最大222、最小200车轮的有关数据内 容说 明备 注车轮材料车轮钢CL60，抗拉强度765Mpa、屈服强度450Mpa、车轮踏面硬度HB311363(洛氏硬度HRC3439)图样上只表示为车轮钢，没有具体钢号，估计是CL60车轮钢一个车轮重量370 Kg车轮踏面原型尺寸840车轮踏面最小尺寸770踏面外侧边最小厚30车轮生产厂马钢车轴、车轮应力分析：零部件的应力分析是一种叫做有限元的应力分析方法计算出来的，一般应在计算机上进行计算后得出结果，这种计算需要专门的软件。车轴、车轮的设计单位肯定进行过应力分析计算，但我们无法知道具体数据。现在一些高档制图软件中附加有零件应力分析的模块，在绘制出车轴、车轮的三维图后，我们可以尝试一下对车轴、车轮的受力进行应力分析。知道了零部件中的应力大小，可以在使用和维修中做到心中有数。零部件的应力分析一般应尽量模拟出真实的使用条件，本次应力分析是对一个完整的车轴车轮进行的。根据使用条件，车轴两端各加载17吨的轴承载荷，既是一个车轮加载34吨载荷。上图是100吨平板车一个车轮在绘图软件中的立体造型。黄色箭头状为车轴上加载受力的部位，车轮踏面下的长方体是为模拟车轮受力条件而附加上的，长方体下面为固定面，这是应力分析的必要条件之一。上图是车轮受力后的变形图（变形的程度是放大的，左边的彩条和数值是表示变形部位的形状及具体数值），从上图我们可以看出，在受力条件下，该车轴两端的变形约为0.30mm。上图是车轮、车轴受力后的最大主应力图（变形的程度是放大的，左边的彩条和数值是表示车轮表面在受力条件下的应力大小），从上图我们可以看出，在受力条件下，该车轴上轮座位置处的主应力最大，达到100MPa；安装滚动轴承处轴颈圆弧处最大主应力约为70MPa 。上图是车轮、车轴受力后的变形图，本图更加突出了车轴端面的变形（变形的程度是放大的，左边的彩条和数值是表示变形部位的形状及具体数值），从上图我们可以看出，在受力条件下，该车轴端面的变形约为0.30mm；从图上也可以清楚地看出车轮变形的情况。上图是车轴受力后的等效应力图，图形放大，看的更清楚，从上图我们可以看出，在受力条件下，该车轴上轮座处的等效应力最大（黄色），其应力值约85MPa ；上图是车轴受力后的等效应力图，图形放大，看的更清楚，从上图我们可以看出，在受力条件下，该车轴上圆弧处的等效应力值约70MPa左右 。上图是车轴受力后内侧圆弧处的等效应力图，图形放大，看的更清楚，从上图我们可以看出，在受力条件下，该车轴上内侧圆弧处等效应力值约40MPa ,100吨平板标准车轴的有关数据：车轴材料车轴钢(铁道车辆用钢LZ50车轴受力每个轴承位承载20吨，共40吨LZ50抗拉强度610MPa弹性模量2105MPaLZ50屈服强度345MPa泊松比0.287车轴上轮座处最大等效应力85MPa车轴轴承位圆弧处的最大等效应力70MPa车轴受力后的最大主应力100MPa车轴内侧圆弧处的最大等效应力40MPa车轴两端面是最大变形处，其最大变形为0.30mm车轴的安全系数345854.06车轮幅板上一处最大等效应力55MPa从上面的应力图我们可以得知车轴和车轮上的应力大小。车轴上轮座处外侧等效应力最大，是危险区域，但该处的安全系数为4.06（设计安全系数一般为24），从设计角度来看，是非常保险的；车轮内侧圆弧处的应力不大，不存在危险。另有一篇文章对其它一些车轮、车轴的应力进行了分析，那些车轴上等效应力最大一般都在轴承处的轴颈圆弧上，而100吨平板车轴上最大等效应力在轮座外侧处，在使用、检查时应加以注意。从以上的应力图形和分析我们可以得出：1. 该车轴的设计安全系数是比较大的。2. 车轴在正常使用条件下，是不会发生断轴这类事故的。3. 该车轴内部，特别是应力值大的危险截面，如果没有裂纹等缺陷，一般是不会发生断轴事故的。4. 如果发生一般掉道事故，车轴受的冲击不大，经检查后没有发现裂纹，车轴没有变形，不影响车轴的使用。5. 如果发生了大的掉道或其它铁路事故，车轴受到了很大的冲击、或车轴发现了裂纹、或车轴发生了变形，那么该车轴就报废。6. 该车轴从设计角度上来说，应该是具有无限寿命的，但从其重要性来说，建议将该车轴的使用年限定位30年，或者是车轮踏面直径小于770后，整个车轮报废。附：其它车轮轴应力分析上图是65吨铁水车锥形车轴受力应力图，锥形轴大端130，轴重30吨。从上图我们可以看出，在受力条件下，该车轴上锥形旁边圆弧处等效应力值约为82 Mpa。65吨铁水车车轴的有关数据：车轴材料车轴钢(铁道车辆用钢LZ40车轴受力每个轴承位承载15吨，共30吨LZ40抗拉强度575Mpa弹性模量2105MpaLZ40屈服强度320Mpa泊松比0.287车轴轴承位圆弧处的最大等效应力82Mpa车轴两端面是最大变形处，其最大变形为0.36mm车轴的安全系数320823.9上图是80吨铁水车锥形车轴受力应力图，车轴轴承位处140，轴重34吨。从上图我们可以看出，在受力条件下，该车轴上锥形旁边圆弧处等效应力值约为68 Mpa。80吨铁水车车轴的有关数据：车轴材料车轴钢(铁道车辆用钢LZ40车轴受力每个轴承位承载17吨，共34吨LZ40抗拉强度575Mpa弹性模量2105MpaLZ40屈服强度320Mpa泊松比0.287车轴轴承位圆弧处的最大等效应力68Mpa车轴两端面是最大变形处，其最大变形为0.32mm车轴的安全系数320684.7上图是RD2车轴受力应力图，车轴轴承位处130，轴重25吨。从上图我们可以看出，在受力条件下，该车轴上旁边圆弧处等效应力值约为75 Mpa。RD2车轴的有关数据：车轴材料车轴钢(铁道车辆用钢LZ40车轴受力每个轴承位承载17吨，共34吨LZ40抗拉强度575Mpa弹性模量2105MpaLZ40屈服强度320Mpa泊松比0.287车轴轴承位圆弧处的最大等效应力75Mpa车轴两端面是最大变形处，其最大变形为0.26mm车轴的安全系数320754.27上图是最小的渣罐车车轴受力应力图，锥形车轴轴承位大端处110，轴重25吨。从上图我们可以看出，在受力条件下，该车轴上锥形旁边圆弧处等效应力值约为90 Mpa。渣罐车车轴（110）的有关数据：车轴材料车轴钢(铁道车辆用钢LZ40车轴受力每个轴承位承载12.5吨，共25吨LZ40抗拉强度575Mpa弹性模量2105MpaLZ40屈服强度320Mpa泊松比0.287车轴轴承位圆弧处的最大等效应力90Mpa车轴两端面是最大变形处，其最大变形为0.31mm车轴的安全系数320903.6几种车轴有关数据的比较：车轴名称车轴材料屈服强度轴承位置处直径轴重（吨）轴承边圆弧处最大等效应力安全系数渣罐车车轴（110）LZ40320Mpa1102590Mpa3.665吨铁水车车轴LZ40320Mpa1303082Mpa3.980吨铁水车车轴LZ40320Mpa1403468Mpa4.7RD2车轴LZ40320Mpa1302575Mpa4.27320吨混铁车车轴LZ50345Mpa1604072Mpa4.8100吨平板车车轴LZ5034