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基于有限元法的车轮踏面制动热负荷研究

王宏林  
【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10000t重量,制动限速为80km/h时,大秦重载专用线上23t、25t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25t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30t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243.75min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243.75 min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;23t和25t轴重新车轮的疲劳强度均满足要求;直径为786mm的25t轴重磨耗到限车轮的疲劳强度已不再满足要求。对于25t轴重车轮,当磨耗到直径为810mm时,车轮的疲劳强度刚好满足要求。(4)30t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。25t轴重车轮的最大磨耗量为30mm,相同条件下30t轴重车轮的磨耗量为45mm。


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