重载货车车轮踏面制动热负荷研究

论文摘要

为了提高我国铁路货物列车的运输能力,列车提速到120km/h的前提下,轴重正在向25t发展,新一代通用货车的轴重已开始规划增加到27t,专用货车增加到32.5t。我国货物列车的制动方式主要为踏面制动,随着轴重的增加,车轮热负荷问题变得十分突出。本文研究轴重32.5t专用重载货车车轮在典型的制动条件下热负荷对车轮的影响。分别对新车轮和磨耗到限车轮在初速为80km/h的长大下坡道制动条件和初速为100km/h、紧急制动距离为1400m的紧急制动条件下的温度场边界条件进行确定,采用间接耦合法模拟仿真车轮在这两种制动条件的温度场和应力场,并对车轮辐板区的静强度和疲劳强度进行评定。本文进行的主要工作及得出的结论如下：(1)采用能量转化法计算输入到车轮的热流密度,并且考虑对流换热和热辐射的影响,确定车轮在两种制动条件下的温度场边界条件。(2)温度场计算结果表明：在长大下坡道制动条件下,车轮的踏面最高温度出现在制动结束时刻；紧急制动条件下,新车轮踏面最高温度在制动32s时达到最大,磨耗到限车轮踏面最高温度在制动35s时达到最大；在这两种不同的制动条件下,车轮最高温度始终出现在与闸瓦摩擦的踏面上,紧急制动条件下与长大下坡道制动条件相比,踏面最高温度要高一些。(3)热应力场计算结果表明：长大下坡道制动条件下,车轮辐板区的最大von_Mises热应力出现在制动结束时刻；紧急制动条件下,新车轮辐板区的最大von_Mises执应力出现在制动开始27s,磨耗到限车轮辐板区的最大von_Mises热应力出现在制动开始57s；长大下坡道制动条件与紧急制动条件相比,辐板区的最大von_Mises热应力要大一些。(4)在机械载荷作用下,车轮辐板区的静强度满足要求,用Goodman曲线法评定疲劳强度,计算车轮旋转一周下的应力分布,确定应力幅和平均应力,得到车轮辐板区的疲劳强度满足要求。(5)在制动热负荷和机械载荷的联合作用下,新车轮辐板的静强度和疲劳强度满足要求,磨耗到限车轮辐板的静强度满足要求,而在紧急制动条件下的疲劳强度已超出许用范围。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外车轮热分析及强度分析研究现状
• 1.3 本文主要研究内容与方法
• 第2章 车轮有限元计算理论基础
• 2.1 有限元法的理论基础
• 2.1.1 虚位移原理
• 2.1.2 最小位能原理
• 2.2 瞬态热传导问题的有限元法
• 2.2.1 三维温度场的基本方程
• 2.2.2 求解温度场的初始条件和边界条件
• 2.2.3 瞬态热传导的有限元分析
• 2.3 热应力的计算
• 2.4 非线性问题
• 2.4.1 材料非线性问题
• 2.4.2 接触非线性问题
• 2.5 本章小结
• 第3章 车轮温度场边界条件的确定
• 3.1 热流密度
• 3.2 对流换热系数
• 3.3 辐射换热
• 3.4 本章小结
• 第4章 温度场及热应力场计算分析
• 4.1 车轮模型建立
• 4.2 车轮瞬态温度场计算分析
• 4.2.1 长大下坡道制动条件下的瞬态温度场分析
• 4.2.2 紧急制动条件下的瞬态温度场分析
• 4.3 车轮热应力计算分析
• 4.3.1 长大下坡道制动条件下的热应力计算分析
• 4.3.2 紧急制动条件下的热应力计算分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 机械载荷下强度分析
• 5.1 机械载荷工况
• 5.2 强度评定方法
• 5.2.1 静强度评定方法
• 5.2.2 疲劳强度评定方法
• 5.3 计算结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 热-机载荷耦合下车轮的强度分析
• 6.1 载荷工况
• 6.2 坡道制动下的计算结果分析
• 6.3 紧急制动下的计算结果分析
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文与参与科研项目