紧急制动下重载货车车轮温度场和应力场分析

紧急制动下重载货车车轮温度场和应力场分析本文研究了 25 吨轴重的重载货车在紧急制动条件下车轮的瞬态温度和应力 变化情况，建立了 HESA 型货车车轮的三维有限元模型，分析了货车车轮的温 度场和应力场。通过踏面部分加载热流密度，整体车轮加载对流换热、热辐射， 得到了紧急制动过程中踏面的温度和应力的变化趋势，同时得到了车轮整体最高 温度、最高应力及其各自出现的时间，为车轮的使用寿命和疲劳分析提供了理论 基础。标签：铁路货车；紧急制动；车轮；温度场；应力场车轮是铁路货车走行部的重要组成部件之一，它不但承受着货车的自重与载 重，而且还与钢轨、闸瓦及环境介质有着非常复杂的作用，承受着极其复杂的应 力和踏面制动所产生的热负荷1-3。随着货物列车的提速和轴重的增加，特别是 25t轴重的货车车轮的服役运行和货车运行速度达到120km/h，列车的动能也会 急剧上升。由此，依靠闸瓦和车轮踏面的机械摩擦来实现制动，必然在车轮踏面 部位产生大量的热量，这种热载荷和机械载荷的联合作用，将使得货车车轮踏面 受到较为严重的破坏4。因此，对于货车车轮在踏面制动情况下的温度场和应 力场进行深入研究具有重要的经济价值和理论意义。有学者曾经对货车车轮热损伤问题进行了研究，并对21t和23t轴重车轮的 温度场和热应力场进行了模拟计算。王京波曾使用有限元分析软件 MARC 建立 快速货车车轮二维有限元模型，并分别用数值方法和实验方法研究合成闸瓦对车 轮的热影响5。刘云曾对提速货车车轮的温度场及热应力场进行了数值模拟， 但其模型为二维模型，且只考虑了热传导6。侯耐在2011年曾对重载货车踏面 制动热负荷进行了分析研究，对紧急制动工况和长大下坡道制动工况下的温度场 以及热应力场进行了模拟7。等等。本文从我国铁道车辆的实际情况出发，选取了转K6转向架所使用的HESA 型辗钢车轮进行建模，全面考虑了现今铁路货车不断向“高速重载”发展的趋势。 通过实际紧急制动过程的模拟分析，得到了车轮所承受的机械载荷和热载荷，为 车轮的疲劳分析提供了理论依据，有利于预防车轮损害，增长车轮使用寿命，减 少经济损失。1 车轮边界条件的确定本文对轴重为25t，制动初速度为120km/h，紧急制动距离为1400m工况下 重载货车踏面制动时车轮温度场与应力场进行分析。设定车轮的初始整体温度为 20 C。1.1 热流密度计算在本文中，采用能量转换法。假设列车制动过程中重载货车的动能全部转化