轮轴压装过程计算机模拟、试验和分析

轮轴压装过程计算机模拟、试验和分析

周晓扬

(武汉希萌工程咨询有限公司，湖北 武汉 430012)

摘 要：本文针对“5.27”冷切事件，介绍了传统的轮对压装基本要求、分析和计算方法。利用ANSYS 软件对车轴压装过程进行了多种结构形式的模拟计算，系统地分析了各种因数对轮轴压装过程的影响，并用实际试验进行了验证，给出了一些分析结果。

关键词：轮轴压装，模拟，损伤，安全

1. 概述

“5.27”冷切事件使我们必须重新深入研究轮轴组装过程中的内在机理，以尽可能多地认识轮轴组装过程中各因素对压装曲线的影响，最终指导我们的实际生产，提高一次压装合格率，避免压装过程中车轴的损伤或损伤轴的出厂，确保铁路营运安全。

2. 轮对组装的基本要求和经典分析

2.1. 轮对组装的基本要求

车轴轮座部和车轮轮毂孔的表面粗糙度分别达到　1.6~3.2和　3.2~6.3。为使车轴易于压入轮毂内，在轮座部靠近防尘板座端部应旋成锥形，长为7~12mm ，其小端直径较大端直径小1mm 。轮座其余部分均应旋成圆柱形，在这一部分全长内的锥度不得超过0.1mm ，但大端必须在靠近轴中央之一端，圆度不得超过0.02mm [1]。

车轮轮毂孔加工后，轮毂孔与轮毂内、外侧端面的过渡圆弧半径为3mm 。轮毂孔加工后的圆度不得超过0.02mm ，内外侧的直径差不得超过0.1mm ，并且大端必须在内侧[2]。 轮座与轮毂孔采用过盈配合。过盈量的选取；一方面必须使轮轴压装后紧密结合，使之在工作中无异于同一整体，相互间不发生松动或位移，从而保证行车安全；另一方面又不能因紧配合而在轮轴中产生过大的应力，以防止在轮毂孔中产生过大的塑性变形，日久发生松动，以致严重地削弱车轴轮座部的疲劳强度。由于影响轮轴压装质量的各项因素错综复杂，在计算中不容易做得准确，所以只能根据长期实践经验选取过盈量[1]。配合过盈量按轮座直径0.8‰~1.5‰执行[2]。

轮对组装最终压力按轮毂孔直径计算，每100mm 直径尺寸的压装力为： 40钢车轴：最小为343kN ，最大为539kN ；σb =680MPa ；σs =450MPa ； 50钢车轴：最小为343kN ，最大为588kN [2]；σb =800MPa ；σs =550MPa ； 按车轴设计图样轮座直径为1

2194+−mm ，老标准轮座长为大于180mm ，新标准轮座长为

174mm [3]。按轴的设计尺寸和公差最小压装力应为：659kN ；40钢车轴的最大压装力为1051kN ；50钢车轴的最大压装力为1146kN 。

2.2. 经典轮轴联接质量及其分析

轮对压装时，无法从外表来观察轮轴的结合情况，以及出现的各种缺陷。但是可以通过压力表指示的终点压力与自动记录器的压力曲线来判明轮轴联接质量[1]。

理想的压力曲线是在全部压装过程中其压力均匀上升，并具有略为上凸的形状。曲线的投影长度应等于曲线的理论长度L （图1）[2]。L 可以用下列公式计算：

L=(l + a – k – r) i

式中：L ——压力曲线的理论长度（mm ）；

l ——轮毂孔长度（mm ）；

a ——升出于轮毂外端的轮座部长度（mm ）；

k ——压装锥形部分长（mm ）；

r ——轮毂孔内侧边缘的圆弧半径（mm ）；

i ——自动记录器的传动比。

终点压力的大小和压力曲线的形状与表面粗糙度、几何形状偏差、测量尺寸的正确性、材料的机械性能、润滑油、组装温度、压入速度，特别是过盈量因素有关。在一般情况下，压入力与过盈成正比关系[1]。

根据参考文献[1]论述：当轮座部与轮毂孔在联接长度上的锥度相差过大时，使过盈量延轴向的变化增大，致使一部分长度上过盈量过大，将产生局部塑性变形，而产生终点压力反而下降的现象。由于母线不直度的影响，当轮座部具有鼓形度，而轮毂孔具有鞍形时，压入力将减小很多；反之压入力将增加很多；当轮座部和轮毂孔同时具有鞍形度或鼓形度时，压入力可能增加，也可能减小。

参考文献[2]中列举了多种压装曲线的形态，但并未说明造成各种形态的具体原因。

2.3. 经典圆柱面过盈联接计算[4][5]

计算时假设：零件的应变在弹性范围内；被联接件是两个等长原壁圆筒（见图1），其配合面间的压强均匀分布；包容件与被包容件处于平面应力状态,即轴向应力σz = 0；材料弹性模量为常数。

图1

传递轴向力F x 时

μπf f f x l d p F = (1)

其中：F x ——轴向力 N

d f ——结合直径 ㎜

l f ——结合长度，一般取l f ≈ 0.9d f ㎜

μ——摩擦系数，钢——钢，有润滑为0.05～0.13 p f ——配合面压强

)(i i a a f f E C E C d p +=δ

（2）

其中： a f a f

a a d

d d d C υ+−+=2222 (3) i i C υ−=1 (4)

δ——过盈量的绝对值；

δe ——过盈联接中起作用的过盈量，有效过盈量；

δe = δ-2 (1.6R aa – 1.6R ai )；

R a ——表面粗糙度。

E,υ为材料弹性模量和泊松比

假设包容件与被包容件的材料常数相等，分别将式3、式4代入式2，然后代入式1，得： 1(22

2

a f

f X d d El F −=μδ

π （5）

由式5可以得出以下初步的结论：

1） 最终压装力的大小分别与配合的实际过盈量δ和摩擦系数μ成正比；

2） 在压装过程中,由于l f 逐步增加，压装力也逐步增加，并成线性关系；

3） 在轮饼外形尺寸d a 确定的情况下，最终压装力的大小将因d f 的增加而减小。

以上结论的1，2与参考文献[2]中叙述基本一致。但结论3与参考文献[2]中4.2.6.4有出入。

以下针对具体数据计算轮轴的压装力，取：

E = 220000MPa ，μ = 0.09[4]，δ= 0.28㎜，l f =178㎜，d f = 194㎜，d a = 324㎜。 得：FX = 994.37kN 。

由于以上推导是在诸多的假设下得到的，对轮饼这样复杂造型的描述会产生一定的偏差，下面将了利用有限元进行进一步分析。

3. 轮轴压装过程计算机模拟

轮轴压装过程的模拟是结构分析中的接触问题，属状态非线性。由于压装的位移量很大，同时为几何非线性。若要考虑压装过程中的材料的塑性，又包含了材料非线性。在不考虑圆度误差的条件下，该问题应属于轴对称问题，所以可以用轴对称单元计算。当需考虑圆度的影响时，采用三维实体单元。