空货车轮对结构性能有限元分析与仿真研究

0引言从“四纵四横”到“八纵八横”，我国铁路网络已经搭建了全国铁轮运输框架。

在货物运输方面，铁路运输有着其不可替代的优势。

目前我国铁路货运居世界首位，电商的崛起，也加剧了铁路货运的重担，因而如何保证铁路货运的畅通性，就需要提高货车本身的性能，用于缓解铁路货运的压力。

而货车轮对作为主要的承载结构，其保证了铁路运输快速安全形式。

若出现了车轮失效也就是有裂纹，踏面剥离、崩裂，导致制动过程出现问题。

在这个失效的过程中，主要是机械能向热能的转化方面，这种热负荷和热循环的持续作用，是导致失效的重要原因。

因而通过有限元分析，建立三维模型，研究在车轮的热传导情况，发现其温度变换，掌握其规律，提高抗疲劳能力，延长货车的服役时间，进而提升货车的运输能力。

1有限元分析理论
有限元分析软件常用于热力学分析、结构的应力应变分析，在传统的制造业中用途越来越广泛。

其基本的原理就是利用数学近似的方法对与真实的产品环境整个系统进行模拟，有限元就是通过将系统分割成连续的有限的单元，进行小单元研究，是一个离散集成的过程。

本文通过ANLYSIS 进行有限元模拟，首先选择了位移参数，作为最为常用的模拟方法，位移法容易实现自动化计算，其基本标准为利用节点位移作为未知量进行研究。

对材料进行离散之后，通过对材料的性质，形状和尺寸按照实际情况设计参数，找出各个节点之间位移关系，建立单元分析方程，构建模拟理论基础。

最后进行节点力学计算，节点之间的力学传递，热传导，也就将离散的点结合成为一个连续体。

但是这种连续体不同于实际的连续体，因为在连续体的界面上有着不同的受力和热传导情况，需要根据零件的工作环境，设定边界条件，例如摩擦情况，介质的热传导系数和传导方式都需要进行定义，保证了模拟的系统性和更接近真实性。

2有限元分析
根据上文的论述，建立了轮毂的三维模型如图1所示，将三维模型导入到有限元分析软件中，进行网格划分。

并对其热力学参数进行了计算和约定。

一般的三维模拟中，温度场都是一个变化的过程，可以通过分析瞬态的温度场的变换，来扩展至整个流程温度变化。

本文建立的温度场变量（x ，y ，Z ，t ）在直角坐标系中
应满足的微分方程是
上述方程为热平衡方程，可以分为五个部分，第一项
是单元体升温所需的热量，第二到第四项都是各个分解方向的热量，最后是单元体内部能量。

从上式可以看出，所需的能力必须要和释放的能力向平衡，才能保证热传导的有效性。

当温度发生变化时，物体内部的热变形会引起几何尺寸发生变化，也就是会出现一定的热膨胀，如果材料边界没有收到任何约束，就不会引起材料内部应力。

但是在现实环境下和模拟环境下，都不存在无约束的情况，因而内应力一定会出现。

这种有温度引起的应力，需要进一步分析后续的破坏规律，进而避免发生事故，减少热应力引起的裂纹。

3制动工况下热载荷及其仿真研究在现有的货车运输中，主要运用的车轮还是咱轮岗整体辗钢轮。

主要结构为踏面，轮缘、轮辋、辐板和轮毂等几个部分。

所述的踏面也就是车轮和轨道的接触面，轮缘适用于防止货车脱轨，保证按预定轨道行走。

轮毂是轮和轴过盈配合的部分。

辐板连接轮辋和轮毂，整体的连接装配形式如图1所示。

考虑到轮对为对称结构，因而为了减少模拟量，将模型划分为如图2、图3所示的形式。

也就兼顾了计算机性能和计算能力。

图2为三维实体模型，图3为三维SOLID70热单元进行网格划分后的单元模型。

空货车轮对结构性能有限元分析与仿真研究
黄盼;谢林;冯创友;薛海莲
（中车眉山车辆有限公司产品开发部，眉山620032）
摘要:我国铁路处于一个快速发展阶段，各种客运和货运列车多在不断提速，这种提升对于货车本身的结构提出了更加严格的
要求。

而货车轮对对于的结构性能和磨耗和热烈等失效影响着列车与性的安全性，本文对车轮进行有限元模拟分析，通过三维轮的仿真研究，来分析其温度变化、应力情况提升货车轮的强度和抗疲劳能力，保证运行的安全。

关键词:轮对；热力学；有限单元法；
模态分析
图1轮对结构
Internal Combustion Engine &Parts
3.1制动情况下温度场变化
温度作为影响轮毂失效的重要因素之一，因而研究制动过程中，存在那些因素影响了温度场的变换，本文整理整个模拟过程的温度变换情况，绘出了最高温度随时间的变化曲线，如图4所示。

从图中可以看出，在制动整个过程中，温度不是一直增高的，而是在30S 内温度迅速升高，温升达到了200℃以上，而在30S 以后，温度开始降低。

降低速度随着时间的增加降低速率减小。

这说明制动开始的时间段，车轮的输入热量远大于车轮的散出热量。

此时货车速度较快，车体本身有着巨大的动能，而减速的过程就是将机械能转化为热能，在开始阶段能力转化为主。

此时产生的热量在轮内聚集，但是不能很好地将热量散发出去，就会在踏面位置形成高温聚集面，温升速度非常快。

在制动后半段，列车速度降低，机械能转化为热能的能量不断降低，散热功能开始暂居主导位置，温度变化呈现降低趋势，并且降低速率逐降低。

此时的温度最高位置一般出现在轮辋外侧转。

制动结束以后，闸瓦与踏面分离，也就没有了热量输入，车轮只有散热过程，温度持续降低，根据热传导远离，最终温度会降低至初始温度。

从对于温度你的分析可以看出，在制动过程中，温度变化最快的位置为踏面位置，因而对于踏面位置的散热和耐高温稳定性需要达到要求，进而保证了制动过程中车轮对不会出现缺陷。

3.2结构应力分析
在对于上文的分析中，可以看出车轮的踏面的温度集中情况，对于车轮的盈利集中，主要体现在轮辋踏面上加载机械载荷的位置。

另外一个应力点处于轮毂的边缘处，此处的应力集中主要是因为过盈配合造成的，本次选取了货车运行的短时间节点的应力情况，其中应力分布情况如图5所示。

在实际运行中，受力的横断面不断发生变化，所以加载机械载荷的断面并不会发生材料失效。

在模拟过程中，过盈配合轮毂孔边超出材料许用应力范围比较小，这种情况此处不宜发生材料失效。

4结论
本文考虑到货车车轮失效情况，对货车车轮的失效原因进行分析，通过三维建模，热力学分析和力学分析，发现在踏面和轮毂方面容易出现温度集中和应力集中，所以在后续的发展需要对材料的加工工艺进行研究，保证零件的组织的一致性和耐高温疲劳性能，进而提高车轮的使用寿命。

参考文献:
[1]孙明昌.弹性轮对动力学性能研究及有限元分析[D].西南交通大学，2003.
[2]平学成，赵辽翔.新型空心车轴轮对过盈配合微动疲劳特性分析[J].机械设计与制造，2014（7）
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[3]董洁.轮轴过盈配合面的有限元分析[D].西南交通大学，
2010.
图4最高温度变化曲线
图2
实体模型
图3热力学分析模型
图5应力分布情况。