基于热—机耦合的大轴重车轮踏面制动热负荷仿真分析

重载列车车轮踏面制动是一个复杂的动态接触热—机耦合问题。文章利用有限元分析软件ABAQUS建立了重载车轮踏面制动的瞬态热—机耦合有限元模型,对单闸瓦踏面制动过程进行了紧急制动工况的数值仿真,并利用重载货车车轮制动热负荷试验结果对模型进行验证。利用该模型分析了不同工况下重载车轮紧急制动过程中的热负荷及热应力情况,为研究大轴重车轮踏面制动热负荷极限和热损伤问题提供了理论技术支持。     

铁道科学研究院2005年科技成果简介(续四)

31 机车车辆车轮剥离原因分析及改进对策的研究 在大量现场统计分析的基础上，结合实际运用的特点，对典型样品进行车轮剥离的失效分析，指出机车车辆车轮剥离有4种类型：制动剥离、接触疲劳剥离、局部擦伤剥离、局部接触疲劳剥离。在同一失效车轮上可能存在上述剥离类型的1种或几种。制动剥离一般发生在踏面闸瓦制动的车轮上，是车轮踏面热机械损伤的主要表现形式，研究表明，它主要以制动热裂纹和马氏体碎裂2种形式出现。接触疲劳剥离指的是在轮轨接触应力作用下导致轮轨接触面表层金属塑性变形及疲劳裂纹萌生和发展的破坏方式。     

新型重载专用货车制动系统研究

随着专用货车轴重及编组辆数的进一步增加,重载专用货车制动系统面临新的挑战：车轮／闸瓦制动热负荷进一步增大,给车轮／闸瓦带来更多的制动热损伤。现有空气制动机固有性能缺点越来越不适应重载专用列车对制动操纵性的要求。     

车轮滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测

利用有限元软件ABAQUS建立带缺陷孔的车轮二维有限元模型,循环塑性本构关系采用LemaitreChaboche非线性各向同性/随动硬化循环塑性模型,通过在滚动接触表面上施加移动法向分布压力和切向分布力模拟反复滚动过程。采用Jiang-Sehitoglu损伤参量和基于临界平面法的疲劳裂纹萌生寿命模型,分析循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量及滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明:经过反复施加10次循环载荷,车轮材料缺陷孔处应力应变响应逐渐趋于稳定。循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量和滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响比较明显。疲劳裂纹萌生寿命随着循环载荷与摩擦因数的增加而增大,随着缺陷孔深度的增加而逐渐减小。     

列车车轮踏面制动温度循环试验与温度场仿真分析

在分析货物列车踏面制动方式下车轮踏面热振裂纹和车轮热疲劳裂纹产生机理的基础上,以国内碾钢车轮材料为对象进行踏面制动温度场试验,重点研究制动过程中摩擦热源向转动车轮踏面表面传热的关系,模拟车轮旋转周期内闸瓦摩擦生热和对流换热交替变化的规律,建立车轮制动过程瞬态温度场三维有限元模型,改进以整体输入热流和对流换热的简化模式为基础的传统理论的热应力计算方法。通过在摩擦制动动力试验台进行的制动试验,证明计算模型从宏观和细节方面比较完整地反映了车轮踏面制动热温度场的实际工况。为确定车轮踏面制动极限和作用方式、列车制动距离等技术规范提供计算依据。     

40t轴重货车制动热负荷分析

增加轴重是重载运输提高运能的重要途径之一,然而轴重的增加对制动系统提出了更加严格的要求。采用数值方法,对40t轴重货车紧急制动和长大下坡道制动的车轮热负荷情况进行了模拟,对其温度场和热应力场进行了分析,基于制动热负荷对轴重40t货车车轮的强度进行了预测。结果表明紧急制动和长大下坡道制动最高温度均出现在车轮踏面处,其幅值分别为233℃和231℃;最大热应力分别出现在踏面和辐板外侧靠近轮毂处,其幅值分别为348MPa和252MPa。不同温度下的von Mises应力计算结果表明最大应力值均未超出材料的屈服极限。     

车轮踏面裂纹分析

针对城轨列车车轮踏面存在的宏观裂纹,采用化学分析、硬度测试、金相观察等方法对踏面裂纹成因进行分析。车轮踏面裂纹为列车制动引起的热裂纹。车轮踏面制动时的高热区域表层组织会产生相变,形成马氏体组织,脆硬的马氏体组织在轮轨接触应力、制动热应力和组织应力的相互作用下极易碎裂萌生裂纹,裂纹在轮轨接触应力的持续作用下逐渐扩展,最终发展为宏观裂纹。建议城轨列车采用盘型制动,为了减少车轮的热裂敏感性,适当降低车轮的碳含量,选用ER8车轮,降低热裂纹产生的概率。     

简析高速重载工况对车轮轮辋疲劳裂纹萌生的影响

研究了在重载列车和高速列车车轮实际使用工况下,轮轨接触应力提高后车轮轮辋内部应力增加对轮辋疲劳裂纹萌生的影响。对普通列车、重载列车、高速列车上实际运用过程中发生辋裂的车轮进行失效分析和研究,结果表明:列车轴重增加和运行速度提高,导致车轮轮辋内部萌生裂纹的"临界夹杂物尺寸"减小,使车轮轮辋中原本处于安全尺寸范围的脆性夹杂物越过"临界夹杂物尺寸"成为疲劳裂纹萌生的主要发源点,最终导致车轮轮辋疲劳裂纹的形成。     

车轮踏面擦伤及其检测新技术

随着列车向高速度、大密度、重载方向发展,车轮故障相对逐步增多,损坏轨道及车辆设备,甚至危及行车安全。其中最常见的车轮故障即“车轮踏面擦伤”。 踏面擦伤探源 列车在运行途中,经常需要进行加、减速或制动停车,如果制动力过大,制动缓解不良,或调车溜放时单方面使用铁鞋制动,或由于同一轮对的车轮直径相差过大等原因,使车轮在轨面上滑行,造成踏面上被擦成一块或数块平面,这就是常言所说的“踏面擦伤”。车辆在钢轨上滑行,或车轮踏面与钢轨、闸瓦强     

轴重等工况对轮轨接触疲劳的影响

采用有限元分析软件对钢轨表面存在微裂纹的轮轨接触问题进行研究,依次考虑轴重、裂纹长度和车轮踏面形状对轮轨接触的影响,得到不同裂纹位置的应力强度因子。结果表明,磨耗型车轮踏面的应力强度因子比锥形车轮踏面小得多;轴重或裂纹长度的改变对钢轨的应力强度因子和微裂纹的扩展也有着显著影响;且在同一类型载荷作用下,随着轴重的增加,钢轨的疲劳寿命大幅下降。     

铸铁合成闸瓦

踏面制动是铁道车辆上使用的机械制动方式之一,将闸瓦推压到车轮踏面上,由于踏而与闸瓦间的摩擦而获得制动力.目前使用的闸瓦材质大体上分为3种：合成闸瓦、烧结闸瓦和铸铁闸瓦.其中最早被应用的铸铁闸瓦具有以下优点：对车轮的不利影响小,对车轮踏面的磨耗小及不使车轮踏面产生热裂纹等,即使在雨雪天,也可获得车辆稳定运行必要的轮轨间的粘着力.但另一方面,与其他两种闸瓦相比,铸铁闸瓦的磨耗量大,为提供车辆制动力用的摩擦力小.     

30t轴重货车踏面制动下车轮辐板疲劳强度分析

随着货车轴重的增加,踏面制动热负荷对车轮辐板疲劳失效的影响越来越大。建立30t重载货车车轮三维有限元模型,对货车在长大坡道(坡度13‰)工况下的紧急制动进行仿真。仿真中,对比分析了分别采用热机耦合法和线性叠加法计算得到的车轮辐板应力。最后利用Haigh-Goodman疲劳极限线图评定在制动热应力和轮轨机械应力同时作用下车轮辐板疲劳强度。结果表明,采用热机耦合法和线性叠加法计算得到的车轮辐板应力几乎一致,但是热机耦合法所需时间约是线性叠加法的6倍;踏面制动条件下30t轴重货车车轮辐板疲劳强度满足要求。     

改善轮轨接触状态的重载车轮型面优化研究

基于轮轨接触几何关系,以轮径差函数为设计目标,对重载线路75kg/m钢轨型面进行逆向求解,优化出满足轮径差函数的重载车轮型面;对优化前后重载车轮踏面的静态接触、动力学性能和基于磨耗数的车轮损伤函数进行了对比。结果表明:优化后重载车轮踏面与75kg/m钢轨匹配时,轮轨间接触点分布更加合理,接触斑最大正压力有所降低,具有更好的曲线通过性能;优化后的车轮踏面在高低轨呈现出更小的损伤值,可有效降低轮轨磨耗与裂纹损伤。     

沙特城铁列车闸瓦金属镶嵌问题浅析

<正>1问题的提出沙特麦加城铁列车从2010年开始运行以后,所有拖车闸瓦均发生了严重的金属镶嵌问题,每天都能清理出大量的金属镶嵌物(图1),有几次瓦背已与车轮踏面接触。有些闸瓦由于附着的金属镶嵌物厚度大于车轮与闸瓦之间的间隙,使车辆无论处于牵引、惰行还是制动位时,车轮均与闸瓦上的金属镶嵌物摩擦,导致车轮踏面温度过高。如:2011年10月6日TS5号列车回库时,发现一个车轮与闸瓦之间的间隙被镶嵌物     

时速100 km 地铁车辆踏面制动热负荷分析

建立了地铁车辆时速100 km时的车轮热负荷计算模型,叙述了计算过程和评定方法.基于均布热源法,采用ANSYS软件分别计算了仅空气制动连续2次紧急制动和仅空气制动正常运营制动2种条件下新轮(840 mm)和磨耗到限车轮(770 mm)的踏面制动热负荷,并进行了强度校核.结果表明,磨耗到限车轮连续2次紧急制动、新轮正常运营制动满足车轮踏面损伤要求,新轮连续2次紧急制动和磨耗到限车轮正常运营制动不满足车轮踏面损伤要求.     

重型轨道车车轮异常磨耗原因分析及应对措施

针对重型轨道车车轮异常磨耗,从车轮材质、制动温升、车辆编组方式和制动力分配不匀等4个方面进行分析,确定长大坡道连续制动引起闸瓦和车轮踏面长期接触摩擦并导致车轮温度升高是车轮异常磨耗的主要原因,制动力不均匀和制动时间过长也会对车轮磨耗产生一定的影响。提出车辆通过长大坡道时控制速度及采取间歇制动形式下坡,以降低制动频率和制动时间,控制闸瓦和车轮踏面长时间摩擦产生的温升,以及合理匹配平板车和轨道车的制动效率、调整闸瓦与车轮踏面间隙、采取粉末冶金闸瓦等措施。     

车轮踏面热裂纹的发生机理及对策

<正>车轮踏面热裂纹是在部分使用闸瓦/踏面制动的车辆上,车轮踏面全周发生的呈阶梯状的表面裂纹,为除去裂纹,要频繁地实施镟修作业,而产生踏面热裂纹的原因及条件并不明确。此前,就利用踏面热裂纹的定置试验再现热裂纹产生及破损安全性的验证作过相关报告,此次,在这一结果的基础上,综合实施了数值仿真、材料调查以及实体车轮验证试验,确认     

基于损伤累积和权重参数的重载铁路曲线内轨裂纹萌生特征及剥离掉块分析

基于单轮对荷载作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的预测方法,结合疲劳损伤累积理论,提出基于疲劳损伤累积的钢轨裂纹萌生寿命预测方法,确定转向架前、后轮对累积荷载作用下重载铁路曲线内轨裂纹的萌生寿命及其特征;构造权重参数,用以表征前、后轮对在内轨裂纹萌生过程中各自的作用权重。采用SIMPACK仿真软件建立C70型货车、LM型车轮踏面、U75V钢轨构成的车辆—轨道模型,预测不同曲线半径、超高、轨底坡和摩擦系数工况下内轨裂纹的萌生寿命、萌生位置和开裂方向、权重参数,并与现场试验进行对比。结果表明:内轨裂纹的萌生要早于外轨,并发生在距离轨顶约2~3mm的轨头次表面,车轮对内轨的磨耗作用不大;在内轨裂纹的萌生过程中,随着轨道条件的变化,轮对的权重取值范围可以划分为3个区域,分别对应前轮对作用权重绝对大和相对大以及后轮对作用权重相对大3类情况;大多数内轨裂纹的开裂方向分布在一定的范围之内,但有少部分裂纹的开裂方向异常且在扩展过程中容易产生剥离掉块。     

合成闸瓦对车轮热影响的研究

高摩合成闸瓦不仅是重载列车配套制动技术之一,也是提速及快运货车配套制动技术之一.使用合成闸瓦与采用铸铁闸瓦时相比,车轮在制动过程中要吸收更多的热量,因而更易受到热损伤.铁道科学研究院与日本铁道综合技术研究所合作,在快运货车运用条件下合成闸瓦对车轮的热影响进行了研究与评估.     

基于ANSYS的车轮踏面紧急制动热分析

基于有限元软件ANSYS的瞬态热分析方法,建立车轮紧急制动的三维弹性模型,该模型考虑了车轮的真实尺寸和材料特性。瞬态热分析用于处理车轮紧急制动时产生的热效应结果,考虑了车轮与闸瓦的热传导以及与空气的热交换。该模型仿真了连续两次紧急制动过程,得到了最高温度出现在第2次紧急制动过程中以及温度随时间变化的情况。沿径向深度同截面不同节点的温度变化分布情况也已获得。将所得温度结果作为热载荷加载可得对应的等效应力分布情况。考虑了表面换热系数和轴重等因素对紧急制动温度的影响,结果表明在较高速度下,表面换热系数影响不大,轴重有着较大影响。