火车轮对压装仿真中轮轴摩擦系数的估算方法

戴 俊 孙金刚 陶盈龙

火车轮对压装工艺技术要求比较高，影响压装质量的因素有很多。压装曲线能否满足相应标准的要求，取决于车轴轮座及车轮轮毂孔的加工尺寸、形位公差、粗糙度、车轴与车轮的材料屈服极限、过盈量、压装速度、润滑油种类与涂抹情况等工艺参数。新品种往往需要通过多次试压才能获得较好的工艺参数，如果没有丰富的压装经验，那么轮对压装试制将费时费料，压装曲线如果出现不合格的情况，则需要分析其原因并找到对策。现场实践经验的积累固然重要，而采用大型工程软件仿真方法来模拟压装过程，有助于更好地了解和控制轮对压装的影响因素，提高新品种压装试制的成功率。

采用ANSYS软件模拟轮对压装时，车轮与车轴的配合面形状、材料属性、压装速度、摩擦系数等可以在有限元分析模型中设定，其中摩擦系数是比较难以设定的，现场采用不同的润滑剂所产生的摩擦系数相差很大，即使是相同的润滑剂，如果涂抹情况不同，其摩擦系数也不同，摩擦系数到底是多大难以量化。根据现场数据样本分析，摩擦系数的大小对压装力的影响是比较大的。

轮对压装常见的标准有TB/T 1718、AAR GII、UIC 813和EN13260等。TB/T 1718规定采用植物油作为轮对压装润滑的介质；AAR GII规定轮对压装润滑可采用蓖麻油、熟亚麻籽油、碳酸铝白和熟亚麻籽油混合等；UIC 813规定的轮对压装润滑介质有4种，包括牛油、植物油、植物油与牛油混合、二硫化钼等。EN 13260对润滑介质未作明确的规定。

本文将计算机仿真的结果与实际压装数据进行比较并修正，试图找到现场所用润滑剂及其涂抹方式所对应的摩擦系数的大概范围，在此基础上，可根据标准及图纸要求的最终压装力范围，通过ANSYS仿真确定合适的压装过盈量。

1 轮对压装ANSYS仿真模型

有限元模型的建立主要包括：创建几何模型、定义材料属性、划分单元网格、建立接触、定义载荷、显示格式等几个部分。

首先定义材料属性，在“Engineering data”中分别添加车轴与车轮对应的杨氏模量、泊松比、屈服极限（见表1）等参数。

对于AAR K型轮对模型，考虑到车轮、车轴形状及载荷和约束均是轴对称的，因此建立二维轴对称模型来模拟分析轮对压装过程，如图1所示。在Mechanical窗口中的Geometry下，将Definition的2D Behavior特性设置为Axisymmetric。

表1 AAR K型轮对中车轴与车轮的屈服极限

二维轴对称模型必须位于整体坐标系的XY平面中，并且以Y轴为对称轴，模型中的所有实体（Key point、Line、Area、Volume、Node、Element等）都必须位于X≥0的范围中。划分网格时，单元选择plane183（有中间节点），单元属性K3设为Axisymmetric，单元尺寸为4mm，得到的有限元模型如图1所示，共包含了2762个单元、8761个节点。

使用Targe169、Conta171或Conta172来定义2D接触对，接触对是车轴母线和车轮母线，如图2所示，同时定义摩擦系数（预设）。

图1 轮对轴对称有限元模型

图2 轮对压装接触对

模型的约束有三个，如图3所示，第一约束A是车轴轴线X向为0，第二约束B是车轮外毂端面Y向为0，第三约束C是车轴轮座表面在Y向移动（位移载荷），移动距离为压装长度（-0.196.2m），与运算步长设置一致。轮对压装是一个连续的过程，在此过程中车轮固定不动，车轴在轮对压装机油缸的作用下慢慢推进，直至压装结束，压装初始位置如图3所示。

2 轮对压装边界条件（摩擦系数）的估算方法

2.1 估算的思路

在进行ANSYS模拟仿真与实验数据比较研究时，笔者采用最终压装力作为研究对象。

压装摩擦系数的微小变化会明显影响压装力的大小，本文以AAR K型轮对为例，根据现场的压装力数据样本，采用ANSYS有限元仿真试算的方法，反求各轮对压装时所对应的摩擦系数。由于影响摩擦系数的因素很多，即便是相同的气温、相同规格的车轮与车轴、相同的粗糙度与形位公差、相同的过盈量、采用相同的润滑剂、由固定的操作人员进行涂抹，各个轮对压装的实际摩擦系数也不会相同，所以针对AAR K型轮对，取N个样本摩擦系数的平均值作为该轮对模拟仿真的摩擦系数。

2.2 轮对压装摩擦系数估算实施步骤

2.2.1 批量仿真计算准备

首先制作压装仿真初始包，包括材质设置、接触对设置、网格划分、轴对称设置、约束载荷施加、仿真步长、显示选项等参数。

2.2.2 生成批量STP模型文件

（1）打开AAR K型轮对CAD文件，将轮对图修改为图4所示的类型，车轮中心线与车轴中心线重合，另存为dxf文件。

图3 轮对压装有限元分析约束设置

图4 轮对压装面位置图

（2）在PRO/E软件中点击模型树的“草绘”按钮，选择之前生成的dxf文件。点击绘图区，将车轴的轴线与RIGHT面重合，将轮座引锥起点与TOP面重合，检查轮毂孔与轮座尺寸是否正确。重新生成模型，结果如图5所示。保存文件为prt及stp格式文件（选曲面），至此，第一个压装面的平面模型替换生成。

图5 轮对压装面模型图

（3）打开prt文件，点击模型树的“草绘”按钮，修改轮毂孔与轮座尺寸，重新生成模型，生成第二个压装面的stp文件。以此类推，可以生成N个stp文件与N个压装面对应。

2.2.3 ANSYS有限元计算

（1）打开Workbench14.0软件，设置存储路径。

（2）打开wbpj文件，生成项目A如图6所示。

（3）修改检查材料属性。

（4） 点 击Geometry右 键Replace geometrybrowse，换进第一个压装面的stp文件。

图6 轮对压装仿真项目

（5）选中Model，打开Mechanical窗口，检查Material下的Assignment参数，检查接触对及其摩擦系数，更新网格划分，设置压装长度Analysis Settings为196.2，Output Controls→Nodal Forces：设置为Yes。检查三个约束，车轴移动距离改为新的压装长度（-0.1962m）。

（6）检查Solution Information下的Solution Output是否为Displacement Convergence，检查Definition下的Boundary Condition是否为Displacement2。

（7）点击“Force reaction”可查看结果和图表或记录此工况下的计算结果。

2.3 同一压装面第二个摩擦系数下的压装仿真

进入Mechanical窗口界面，点开接触对“Connections→Contacts”，检查接触对情况并修改左下表中的“Friction coefficient”摩擦系数；点击“force reaction”可查看结果和图表并记录。以此类推，可以计算得到同一轮对不同摩擦系数情况下的压装模拟结果。

3 轮对压装边界条件的计算结果

2016年4月18日至4月21日，AAR K型轮对现场压装数据样本如表2所示，共20个。

对序号为1的压装面进行模拟计算，经过反复试算，得出的结论是，摩擦系数为0.1（f1）时，最终压装力P1为960kN，摩擦系数为0.095（f2）时，最终压装力P2为912.3kN，现场记录的最终压装力为931.91kN，上述两个摩擦系数最接近实际状况。再经过插值计算，现场记录的最终压装力为931.91kN所对应的摩擦系数f约为0.09705556，上述计算结果记录如表2所示。依次对序号2至20的压装面进行模拟计算，其结果如表2所示。

为仿真模拟确定压装试制的过盈量，有限元模拟试算所用摩擦系数采用表2中摩擦系数的平均值f0，即20个摩擦系数相加再平均，其值为0.1057。

对于相同规格同一批轮对，当压装润滑油确定后，对于任意轮对，只要环境温度相差不大、润滑油涂抹状况基本相同、轮座与轮毂孔粗糙度及形位公差保持一致，可认为摩擦系数是一致的，因此采用0.1057的摩擦系数，对20个压装面进行模拟计算，计算出最终压装力为P，其与现场记录的最终压装力P0之间的误差Δ列于表2右侧。

4 AAR K型轮对压装仿真结果分析

从表2现场压装数据样本可看出，将采用平均摩擦系数仿真计算的结果与现场数据进行比较，绝大多数仿真得出的结果与现场实际数据比较相差小于10%。

表2 AAR K型轮对模拟压装摩擦系数估算

在轮毂孔及轮座尺寸、过盈量完全相同的情况下，不同轮对的压装力也存在差距，如序号9与序号10的数据、序号14和序号17的数据等，最大相差165.58kN。主要原因可能出在摩擦系数的不稳定性上，即润滑油涂抹状况出现差异。

过盈量是决定最终压装力大小的主要因素之一，从表2可看出，过盈量每增加0.01mm，最终压装力增加约50kN（针对本次试验的轮对，压装长度196.2mm）。

摩擦系数的微小变化会引起压装力发生明显变化，本次试验采用的润滑油是蓖麻油，所对应的摩擦系数为0.1057，此参数可作为AAR标准其他规格轮对压装试制时制定过盈量的参考依据。

5 结论

ANSYS压装仿真试算摩擦系数的前提是，轮座轮孔压装表面的粗糙度基本一致且达到图纸所设要求；压装所用润滑剂涂抹均匀且相近；不考虑压装时季节温度的影响。试算前，先明确压装过盈量和压装力范围。AUS940轮对样本（轴AAR-F/轮AAR-C）仿真试算的平均摩擦系数是0.1057，润滑油是蓖麻油。

压装摩擦系数一定时，如果压装面名义尺寸相同、公差不同（轮孔轴座实际尺寸不同），只要过盈量相同，那么最大压装力基本相同；压装摩擦系数一定时，过盈量每增加0.01mm，压装力增加约50kN。采用平均摩擦系数进行仿真估算，一般情况下与实际现场数据比较相差小于10%。

如果能通过本文所述方法，不断积累现场实际压装样本，建立起多种轮对压装对应的摩擦系数库，以供仿真参考，那么将大大提高模拟仿真及压装试压的成功率。现场压装时，技术人员应掌握好装配面的粗糙度和润滑剂的使用，同时要保证润滑剂性能稳定、其涂抹的厚度均匀一致，尽量减少人为因素对轮对压装质量的影响，否则ANSYS压装仿真结果的参考价值将会大打折扣。

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