基于有限元法的车轮踏面制动热负荷研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外重载运输概况
• 1.2.2 国内外轮对热损伤研究的发展
• 1.3 本文主要内容
• 第2章 车轮热损伤研究
• 2.1 车轮热损伤研究
• 2.1.1 车轮热损伤形式
• 2.1.2 车轮热损伤机理
• 2.1.3 车轮热疲劳损伤的影响因素
• 2.2 大秦重载专用线概述
• 2.2.1 线路地理位置
• 2.2.2 主要技术标准
• 2.2.3 大秦铁路的重要性
• 2.3 本章小结
• 第3章 车轮温度场及应力场理论基础
• 3.1 热传导问题有限元法
• 3.1.1 三维瞬态温度场的数学模型
• 3.1.2 温度场求解的初始条件和边界条件
• 3.1.3 温度场的有限元法
• 3.1.4 接触传热有限元法
• 3.2 热应力场有限元法
• 3.3 耦合分析方法
• 3.4 弹塑性理论研究
• 3.4.1 弹塑性理论
• 3.4.2 弹塑性应力-应变本构关系
• 3.4.3 弹塑性问题的有限元求解方法
• 3.5 温度场边界条件的确定方法
• 3.5.1 热流密度
• 3.5.2 对流换热系数
• 3.5.3 辐射换热
• 3.6 应力场边界条件的确定方法
• 3.7 本章小结
• 第4章 全程制动温度场及应力场分析
• 4.1 车轮材料的物理参数以及有限元模型
• 4.1.1 车轮材料的物理参数
• 4.1.2 有限元模型的建立
• 4.1.3 温度场边界条件的求解
• 4.2 车轮循环制动瞬态温度场分析
• 4.2.1 23t轴重新车轮和磨耗到限车轮温度场分析
• 4.2.2 25t轴重新车轮和磨耗到限车轮温度场分析
• 4.2.3 不同轴重车轮温度场比较
• 4.3 车轮应力场分析
• 4.3.1 制动热负荷对车轮的影响
• 4.3.2 车轮强度的评定
• 4.4 本章小结
• 第5章 改进车轮热损伤的措施
• 5.1 轮辋厚度对车轮热损伤的影响
• 5.1.1 车轮材料的物理参数及有限元模型的建立
• 5.1.2 车轮温度场分析
• 5.1.3 车轮热应力场分析
• 5.1.4 车轮强度的评定
• 5.2 研究新轴重车轮
• 5.2.1 车轮材料的物理参数及有限元模型的建立
• 5.2.2 车轮温度场分析
• 5.2.3 车轮热应力场分析
• 5.2.4 车轮强度的评定
• 5.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文