壓剪型城軌彈性車輪分析研究

王洋

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

彈性車輪在降低城市軌道交通車輛的運(yùn)行噪音，減輕輪軌磨損，提高車輛運(yùn)行穩(wěn)定性等方面優(yōu)于傳統(tǒng)剛性車輪，將越來越多的被國內(nèi)外城軌車輛采用。現(xiàn)代城軌車輪運(yùn)行速度不斷提升，車輛運(yùn)行特別是全滑制動(dòng)過程中，輪軌接觸表面將產(chǎn)生大量的摩擦熱，導(dǎo)致輪軌間出現(xiàn)熱疲勞損傷。熱應(yīng)力使輪軌表面產(chǎn)生裂紋，造成輪軌表面損傷，制動(dòng)過程產(chǎn)生的高溫將加速車輪輪箍與輪心間橡膠的老化，降低橡膠的吸振、緩沖和降噪效果，因此，探索輪軌運(yùn)行過程溫升規(guī)律對研究彈性車輪的熱損傷和疲勞損傷具有十分重要的意義。

車輪踏面和鋼軌表面的熱損傷是車輛運(yùn)行過程中的常見問題，如圖1所示。由于測量輪軌摩擦溫升難度較大，因此有必要進(jìn)行數(shù)值模擬，分析輪載、相對滑動(dòng)速度和摩擦因子對輪軌摩擦溫升的影響［1］，早期的學(xué)者主要采用拉普拉斯變換法研究輪軌之間由于滑動(dòng)引起的溫升，計(jì)算模型采用大量簡化假設(shè)，所得的解析解僅能定性的分析輪軌接觸溫升［2］。目前，針對制動(dòng)過程中的熱耦合計(jì)算，主要采用大型有限元商業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算［3-4］，利用ANSYS、ABAQUS、MARC等建立了輪軌熱力耦合分析的有限元模型，分析制動(dòng)過程中制動(dòng)盤瞬態(tài)溫度場的分布規(guī)律，制動(dòng)盤瞬時(shí)溫度場的三維分布特征以及制動(dòng)盤工作面的熱循環(huán)歷程。文獻(xiàn)［5-6］分析了不同制動(dòng)加載方式、制動(dòng)工況和環(huán)境溫度對制動(dòng)盤瞬態(tài)溫度場的影響以及制動(dòng)過程中溫度和應(yīng)力的變化規(guī)律。通過數(shù)值模擬結(jié)果與1 ∶1 制動(dòng)臺架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，兩者比較吻合，證明了數(shù)值計(jì)算的可靠性。

圖l 車輪踏面擦傷照片F(xiàn)ig.1 Photo of wheel tread scratch

以德國ICE高速列車使用的壓剪型橡膠彈性輪對為原型，建立輪軌三維模型，如圖2所示，采用整體輸入熱流和對流換熱的計(jì)算模型為基礎(chǔ)的傳熱計(jì)算方法，分析車輛在設(shè)計(jì)時(shí)速100 km·h-1運(yùn)行和全滑制動(dòng)過程中對彈性車輪附近溫度分布。

1 輪軌傳熱數(shù)學(xué)模型

圖2 壓縮剪切型彈性車輪結(jié)構(gòu)圖及有限元網(wǎng)格Fig.2 Compression-shear type elastic wheel structure and finite element mesh

車輪在鋼軌上滑動(dòng)引起的輪軌接觸導(dǎo)熱微分方程［7］

式中：T為輪軌材料的溫度；ρ為輪軌材料的密度；c為輪軌材料的質(zhì)量熱容；λij為材料在各向的熱導(dǎo)率；Q為內(nèi)熱源項(xiàng)；xi為法向基量；xj為切向基量；t為時(shí)間。

1）輪軌表面給定的初始溫度

此為第一類邊界條件，溫度邊界條件可以時(shí)間和空間不同而發(fā)生變化。

2）假設(shè)輪軌間摩擦系數(shù)為μ和相對滑動(dòng)速度υs為常值，接觸區(qū)摩擦熱流密度

式中：λ為熱導(dǎo)率；en為接觸區(qū)單位法向矢量；q(x1，x2)為接觸區(qū)法向熱流分布；p(x1，x2)為接觸區(qū)法向壓力分布；此為第二類邊界條件。

3）在邊界上給定輪軌與空氣對流換熱的邊界條件為第三類邊界，該邊界條件給定對流換熱熱流

式中：h為表面對流換熱系數(shù)；T∞為環(huán)境溫度。

4）當(dāng)輪軌表面溫度高于100 ℃時(shí)，輻射邊界條件則不可忽略，表面的熱輻射邊界條件為

式中：σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；ε為表面發(fā)射率。

2 載荷計(jì)算分析

2.1 車輪高速全滑制動(dòng)工況

城鐵輪軌載荷計(jì)算參數(shù)如表1所示：計(jì)算采用變比熱容、熱導(dǎo)率的參數(shù)化加載方式。

表1 城鐵輪軌載荷計(jì)算參數(shù)表［8］Tab.1 Urban rail load calculation parameters

計(jì)算結(jié)果表明：由于城軌車輪車體較輕，全滑工況下車輪輪箍最高溫度為389 ℃，最高溫度在輪箍材料的許用溫度范圍內(nèi)，輪箍內(nèi)部的橡膠彈性元件的溫度已高達(dá)150 ℃，橡膠元件在工作過程中，當(dāng)其溫度超過70 ℃時(shí)，橡膠將提前老化，超過100 ℃時(shí)，粘接性發(fā)生破壞。橡膠彈性車輪的設(shè)計(jì)壽命須達(dá)到10萬公里以上，且在壽命期間內(nèi)不更換彈性車輪的橡膠元件，因此，城軌運(yùn)行過程中應(yīng)減少或避免高速工況下全滑行制動(dòng)。車輪高速全滑制動(dòng)輪軌及彈性元件溫度分布如圖3所示。

列車在不同載荷下滑行后接觸區(qū)溫度的變化，載荷變化對車輪接觸區(qū)峰值溫度影響很大。相同工況下，計(jì)算列車載客質(zhì)量分別為滿載、半載、空載3種工況下，輪軌接觸峰值溫度分別為452，389，294 ℃。

圖3 車輪高速全滑制動(dòng)輪軌及彈性元件溫度分布Fig.3 Temperature distribution of wheel and elastic element on full-speed slip brake

2.2 車輪盤式蠕滑制動(dòng)工況

載荷增加和制動(dòng)控制會(huì)使輪軌摩擦力增大，車輪發(fā)生全滑制動(dòng)的工況較少，而發(fā)生蠕滑（滾劃）制動(dòng)的可能性最大，蠕滑制動(dòng)是城軌車輪主要的制動(dòng)工況。蠕滑制動(dòng)時(shí)，由于滑動(dòng)摩擦?xí)r間縮短，高溫區(qū)可以有效擴(kuò)散，有效降低輪軌接觸峰值溫度。

以下分析城軌車輛以設(shè)計(jì)時(shí)速100 km·h-1制動(dòng)條件下，滾滑200 m輪軌及彈性元件溫度分布情況。

計(jì)算結(jié)果表面，城軌車輛采用滾滑制動(dòng)條件下，輪軌的接觸溫度較低，且橡膠元件周向溫度分布均勻，平均溫度均低于設(shè)計(jì)溫度70 ℃，滿足彈性元件長時(shí)間工作的環(huán)境條件。

2.3 無制動(dòng)運(yùn)行工況

當(dāng)城軌車輛處于無制動(dòng)正常運(yùn)行工況時(shí)，輪箍溫度溫度低且分布周向一致性好，圖4，圖5是車輪在設(shè)計(jì)時(shí)速100 km·h-1勻速運(yùn)行工況下的輪軌溫度和彈性元件溫度分布情況。

圖4 車輪高速蠕滑制動(dòng)輪軌及彈性元件溫度分布Fig.4 Temperature distribution of wheel and elastic element on high-speed creep brake

圖5 車輪高速無制動(dòng)運(yùn)行輪軌及彈性元件溫度分布Fig.5 Temperature distribution of wheel and elastic element on high-speed running

當(dāng)車輛處于無制動(dòng)運(yùn)行工況時(shí)，車輪周向溫度低且分布均勻。彈性橡膠件溫度處于最佳工作溫度范圍，滿足城軌車輪長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的需求。該工況為熱負(fù)荷最低的工作工況，分析結(jié)果表面，車輪運(yùn)行在工況3不會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力破壞和彈性橡膠結(jié)構(gòu)熱損傷。

3 結(jié)論

1）城軌車輛在全滑制動(dòng)工況下，車輛在高載荷高速運(yùn)行條件下，輪箍抱死滑行，輪軌接觸溫度將急劇增加，將導(dǎo)致車輪踏面磨損和彈性元件超溫運(yùn)行，降低彈性車輪的使用壽命。

2）城軌車輛處于蠕滑制動(dòng)工況下，輪箍踏面與軌道滾滑均勻接觸，踏面溫度分布較為均勻，且彈性元件在設(shè)計(jì)溫度內(nèi)工作，滿足城軌車輪正常制動(dòng)的需求。

3）高速無制動(dòng)運(yùn)行工況是城軌車輪的主要運(yùn)行工況，輪箍踏面溫度峰值不明顯，且踏面溫度受速度影響較小，車輪內(nèi)部彈性元件在最佳設(shè)計(jì)溫度內(nèi)工作，可以滿足彈性車輪長時(shí)間壽命需求。

［1］吳磊，溫澤峰，金學(xué)松.車輪全滑動(dòng)輪軌摩擦溫升三維有限元分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008（3）：63-69.

［2］王藝，陳輝，李明.高速列車制動(dòng)盤制動(dòng)過程數(shù)值模擬設(shè)計(jì)與研究［J］.機(jī)械，2008，35（3）：82-85.

［3］趙海燕，張海泉，湯曉華.快速列車制動(dòng)熱過程有限元分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，45（5）：588-592.

［4］馬思群，兆文忠，謝素明，等.列車制動(dòng)盤熱機(jī)耦合過程的數(shù)值仿真［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2003（4）：71-72.

［5］盧奕志，劉永明.車輪與曲線鋼軌接觸的有限元分析［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28（5）：18-22.

［6］蘇航，季懷中，張永權(quán).高速列車車輪鋼摩擦熱致相變的計(jì)算機(jī)模擬［J］.金屬學(xué)報(bào)，2004（9）：909-914.

［7］齊萬明.輪軌熱接觸耦合問題的有限元分析［D］.大連：大連交通大學(xué)，2009：11-18.

［8］馮大建.地鐵車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度分析［C］//上海：Altair 2010 HyperWorks技術(shù)大會(huì)論文集，2010：1-5.