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基于有限元带扣环轮对机械特性研究及应用

文汉云  
【摘要】: 铁路运输中带扣环轮对由于其结构的改变可能在静强度、疲劳强度、动力学性能、最小许用边界等诸多方面发生变化从而威胁到列车的安全运行。本文以带扣环的轮对为对象进行了理论和实验研究,主要研究结论及创新点为: (1)首次采用直接带扣环计算的方法,对本文中的各项研究内容进行了模拟、计算与分析。 (2)提出了采用极限过盈量计算的方法,对本文中的各项研究内容进行了模拟、计算与分析。 (3)对轨道车辆轮对装配应力研究结果表明,带扣环轮对在最大过盈量下的最大应力值为271.7MPa,扣环上的最大应力值为271.7MPa,这些应力值远小于其屈服极限420MPa,不会对轮对的强度构成威胁。扣环本身的应力值达到最大,说明扣环受到严重挤压,可见装配过程中产生的残余应力不容忽视,应尽量减小这种应力。 (4)对带扣环轮对的热分析结果表明,在最小过盈量下,轮箍表面温度高达145.10℃,已超过轮箍弛缓临界值140℃,说明轮箍已接近弛缓,这是要尽量避免的。但车轮一般不会在最小过盈量下运行,所以紧急制动工况下轮箍仍不会弛缓。最高温度载荷以及最大过盈量下的热应力为236.1 MPa,比单独过盈装配时还小,说明热载荷使轮箍产生热膨胀,抵消了一部分过盈量,这种情况虽然不会对轮对强度构成威胁,但比较危险,应尽量避免。 (5)首次对带扣环轮对进行了多场联合作用下的力学性能分析,并对轮对的静强度σ和疲劳安全系数σ_(-1d)进行了评定。对静强度评定结果表明,轮对上的最大平均应力为267MPa,远低于屈服极限420MPa;对疲劳强度评定结果表明,轮对的疲劳安全系数σ_(-1d)=20.65,由此可知轮对的静强度和疲劳强度均满足运行需要。 (6)对加装扣环前后轮对进行模态分析的结果表明,二者前10阶固有频率最大相差12.7Hz,且它们的前10阶振幅几乎相等,振型基本一致。由于前10阶振型基本反映了车轮在运行过程中可能存在的振动情况,可知加装扣环后不会对车轮的动力学性能造成影响。而在轨缝冲击载荷作用下,扣环的存在虽对车轮动力学性能影响较大,但仍没引起质的变化。 (7)使用逐次减小轮箍厚度的方法和优化两种方法,分别求得了轮箍最小理论许用边界为25mm和26.03mm,最终取26mm作为轮箍最小理论许用边界。证明了轮对加装扣环后铁道部规定的38mm许用边界仍满足运行要求。 (8)首次采用虚拟工程的方法对带扣环轮对进行了疲劳寿命仿真。结果表明其疲劳寿命可达到5.05年。而且根据疲劳寿命仿真结果云图,可知轮对疲劳寿命的薄弱位置在轮箍的滚动圆处。 (9)选取带扣环轮对作为试验对象,使用无线传输应力测试仪和相应的虚拟仪器采集试验数据,将所得数据与有限元计算的数据进行对比分析。通过对轮对静态情况下装配应力的测试分析,本论文计算的结果与测试结果的相对误差约为8%,说明本论文研究成果是可信的。


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