城轨车车轮轮对热容量有限元分析

马思群,李吉，王成强，聂春戈，周韶泽，孙彦彬

(1.大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028； 2.长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062)



城轨车车轮轮对热容量有限元分析

马思群1,李吉1，王成强2，聂春戈1，周韶泽1，孙彦彬1

(1.大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028； 2.长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062)

为了模拟城轨车车辆运行时踏面在制动过程中的温升情况，建立了城轨车车轮的三维有限元模型，基于传热学和有限元理论，对城轨车车轮的温度场进行模拟仿真，并通过对城轨车实际制动过程的分析，选择设计方案中的车轮制动参数，在初速度为90 km/h前提下，针对车轮初始温度为30℃时，对两种制动工况(两次紧急制动与全程往返空气制动)，进行了某型城轨车车辆动车车轮的热容量计算.

城轨车；车轮；制动；有限元；热容量

0 引言

依靠车轮踏面和闸瓦间的摩擦力实现制动的踏面制动方式，目前仍然被广泛用于城轨车车辆上[1].由于城轨车车辆具有制动频率高的特点,热负荷的反复作用导致裂纹在车轮踏面圆周范围上扩展，这种由热负荷引起的热损伤严重威胁行车安全.闸瓦对车轮的热影响、车轮的受热极限、热损伤对制动系统性能的影响等问题一直受到列车制造企业的密切关注[2].通过研究列车车轮的热容量问题,以延长车轮和闸瓦的使用寿命,并保证行车安全、制动安全,一直是城轨车车辆设计开发过程需要重点研究的问题[3- 4].过去对车轮进行热容量分析的方法大体分为两种：①在一次紧急制动工况下对车轮踏面温度场分布情况进行研究.这种研究方法的缺点是不能考虑到在复杂车况下，短时间内车辆可能需要进行多次紧急制动，这种短时间内车辆的多次紧急制动势必造成车轮踏面热量累积，所以一次紧急制动工况下的仿真显然很难模拟城轨车车辆平时运行时车轮踏面温度场的真实情况；②由于城轨线路上站点较多，所以城轨车辆需要频繁地启用制动停站，在这种情况下对车辆在往返过程中车轮的热容量进行研究.然而，列车靠站所用的制动加速度一般没有紧急制动停车所用的加速度大，对城轨车车辆的实际制动工况考虑不足.因此，本文采用ANSYS软件对两种制动工况(两次紧急制动与全程往返空气制动)，进行了某型城轨车车辆动车车轮的热容量计算，更好的模拟出城轨车车辆车轮踏面温度场的分布情况，并对计算结果进行了分析.

1 相关模拟参数及制动工况介绍

1.1 制动参数

某城轨车车辆主要参数：轴重13.5 t；车轮材料为整体辗钢车轮；轮径840 mm；最高运行速度90 km/h；制动方式，踏面制动.

1.2 制动工况介绍

本文对模型进行了两种制动工况的计算：

两次紧急制动，Vmax=90 km/h，制动减加速度b=1.2 m/s2，动车；

全程往返空气制动，Vmax=90 km/h，制动减加速度b=1.0 m/s2，动车.

工况说明：两次紧急制动工况，需选择站间距最短距离；全程往返空气制动工况，按实际站间距考虑计算时间.该车往返运行时间情况如表1.

表1 线路与运行时间的对应表

2 温度场计算模型的建立

2.1 建立有限元模型

对整体辗钢车轮进行三维实体建模，由于车轮为轴对称结构，为了缩短计算时间，选取车轮的1/20进行分析，并对其进行网格划分，如图1所示：其中(a)为车轮几何结构模型，(b)为车轮网络计算模型.

(a)几何结构模型 (b)网络计算模型

图1 车轮几何模型与计算模型

2.2 热分析参数的确定

2.2.1 热流密度和热吸收率

制动时，城轨车从80 km/h开始制动到静止状态，将动能转化为热能，热能主要积聚在车轮和闸瓦中，然后随流动的空气带走[5].考虑车轮的高转速，假设在其旋转一周范围内，摩擦面上的热载荷均布，根据热流密度的能量换算法，车轮踏面的热流输入可以按式(1)计算：

(1)

其中:M为半轴重,ηw为车轮的热吸收率，D为车轮直径，l为闸瓦宽度，v0为制动初速度,a为制动减速度.

在制动温度的计算中，假定车轮和闸瓦的接触表面平均温度相等且热流连续.在假定接触面有摩擦热产生而无接触热阻的情况下，在真实接触面积内，分别属于车轮和闸瓦的接触面，其温度相等，输入车轮和闸瓦的总摩擦热流密度等于接触面两侧的热流密度之和.根据以上假定车轮的热流吸收率可按下式计算：

(2)

其中:λw,λbs,aw,abs分别代表车轮和闸瓦的导热系数和导温系数，导温系数由式a=λ/ρc计算得到，其中ρ为材料密度，c为材料比热.

2.2.2 对流换热系数

固体表面与固体表面周围接触的流体介质之间由于温差而引起的热量交换现象称为热对流.研究发现，空气的流动与否对对流散热系数的大小影响很大[6].一般来说，在单位时间上热量从固体传递给流体介质的的平均流量Qm为：

(3)

式中:h为固体边界与流体介质之间传热的平均换热系数；A为传热面积；Tw为固体边界温度；Tf为流体的温度.

对流换热研究的核心内容就是对流换热系数h的获得:

(4)

可以清楚地看出，固体结构的几何尺寸、流体的流动状态、流动速度、流体的性质对对流换热系数都有影响.在模型的计算分析中，车轮表面与空气流体之间的散热模型与盘型零件的散热模型很相似[7]，如果设模型的换热系数为hf：

(5)

式中:l为车轮所求点处的周长，l=2πR.流体的Re按下式计算：

(6)

取Pr=0.701,λ=2.67×102,v=16×106，得到：hf=0.785ω0.5，其中，ω为圆盘运动角速度.

根据以往的研究结果车轮在流动空气中的对流换热系数可取45 W/(m2·K)左右.车轮表面热辐射的影响忽略不计[8].

3 车轮踏面温度场计算结果

3.1 两次紧急制动车轮踏面温度场分布

图2所示为城轨车车辆在两次紧急制动过程中车轮踏面的温度-时间历程曲线.从中可以看出，由于紧急制动时的制动加速度较大，单次紧急制动过程中其温升可超过150℃.第二次紧急制动时，城轨车车轮踏面温升有明显的累积趋势.在这两次紧急制动过程中，车轮踏面最大温度达到214℃.图3为车轮踏面在最高温度时刻的温度分布云图，可以看出车轮在踏面附近出现高温区.

图2 车轮踏面的温度-时间历程曲线

图3 最高温度时刻的车轮踏面温度分布云图

3.2 全程往返空气制动车轮踏面温度场分布

图4为城轨车车辆在全程往返空气制动过程中车轮踏面的全程温度-时间历程曲线.从中可以看出在一个制动周期内，车轮踏面的温度首先快速升高，在制动后期及停站期间，踏面的温度逐渐下降，但由于在下一次制动前，车轮和空气之间的对流换热不足以使车轮的温度降至第一次制动前的水平，连续制动后，车轮出现热量累积现象，造成车轮踏面温度升高.

图4 车轮踏面的全程温度-时间历程曲线

图5 最高温度时刻的车轮踏面温度分布云图

在连续多次制动之后，车轮踏面处附近的热量不断累积增加，造成踏面温度不断攀升.当车轮吸热散热达到一个平衡状态时，车轮踏面温度趋于稳定，踏面最高温度出现在6 645 s，最高温度为370℃.图5为车轮踏面最高温度时刻的温度分布云图，可以看出车轮的高温区仍然主要集中在踏面附近.

4 结论

通过两种制动工况(两次紧急制动与全程往返空气制动)下对城轨车车辆车轮进行热容量分析，发现当制动加速度较大时，车轮踏面温升较快，单个制动过程，踏面温升即可超过150℃；当城轨车车辆频繁启用制动时，车轮踏面温度最高达到370℃，未超出设计许可温度(420℃)，说明该车轮设计方案具有较高的安全储备；分析结果对列车安全运行及车轮设计研究有一定参考价值.

[1]王勇,左建勇,顾磊磊.城市轨道交通车辆车轮热强度预测[J].城市轨道交通，2010,13(12)：35- 38.

[2]王野平，夏寅荪.提速货车制动时车轮踏面温度的计算[J].铁道车辆,1999，37(10)：21- 23.

[3]马大炜.铁道车辆制动热负荷的计算及应用[J].中国铁道科学，2000,21(4)：30- 37.

[4]张萍.城轨车车轮踏面制动热负荷研究[D].成都:西南交通大学,2010.

[5]卢立丽.货车车轮踏面制动热损伤研究[D].北京:北京交通大学，2007.

[6]杨莺,王刚.机车制动盘三维瞬态温度场与应力场仿真[J].机械科学与技术，2005,24(10):1257- 1260.

[7]阳光武，肖守讷.基于有限单元法的客车盘形制动盘瞬态温度场分析[J].铁道机车车辆，2003,23(6)：28- 31.

[8]刘云.提速货车车轮温度场及热应力场的数值模拟[D].北京:北京交通大学，2004.

Finite Element Analysis of Urban Rail Vehicle Wheel Thermal Capacity

MA Siqun1,LI Ji1,WANG Chengqiang2,NIE Chunge1,ZHOU Shaoze1,SUN Yanbin1

(1.School of Traffic & Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,DaLian 116028,China; 2.Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,ChangChun 130062,China)

In order to simulate the urban rail vehicle wheel tread temperature rise in the process of braking operation,three dimensional finite element model of urban rail vehicle wheel is established based on the heat transfer and finite element theory.Through the analysis of actual braking process of urban rail vehicle,the choice of parameters of wheel brake design is determined.Under the promise of the initial velocity of 90 km/h,the initial wheel temperature of 30 degrees,thermal capacity of the urban rail vehicle motor wheel on two kinds of braking condition (two emergency braking and the entire round-trip air braking) were calculated.

urban rail vehicle;wheel;tread braking;finite element;thermal capacity

1673- 9590(2016)03- 0019- 04

2015- 05- 06

中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2013J012-B)；国家自然科学基金资助项目(51220001，51405057)；辽宁省教育厅高等学校科学研究计划资助项目(L2014182)

马思群(1969-)，男，教授，博士，主要从事复杂产品抗疲劳设计的研究E-mail:251437650@qq.com.

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