張國(guó)欣，王宏宇，萬(wàn)德宏，李林杰

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002）

基于Abaqus的慣性輪熱裝仿真分析

張國(guó)欣，王宏宇，萬(wàn)德宏，李林杰

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002）

根據(jù)熱脹冷縮原理，給出熱裝間隙與孔件升高溫度和軸件降低溫度函數(shù)關(guān)系公式。依據(jù)熱應(yīng)力分析理論，以Abaqus軟件為平臺(tái)，通過(guò)有限元方法，研究了慣性輪輪心和輪軸間隙隨溫度變化情況。仿真結(jié)果表明，在輪軸溫度場(chǎng)由20℃降至0℃，輪心溫度場(chǎng)由20℃升至300℃，單邊間隙量由-0.09mm變化至0.427mm，與理論值相吻合，為熱裝方法研究提供了參考。

熱組裝；慣性輪；Abaqus；仿真分析

轉(zhuǎn)向架綜合性能試驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)試鐵路貨車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)性能和滾動(dòng)性能。慣性輪裝置是該試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，其作用是將貨車的直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。慣性輪主要由輪軸和輪心組成（圖1），因不同車型在不同運(yùn)輸條件下動(dòng)能大小不同，因此慣性輪裝置設(shè)計(jì)了可拆卸輪環(huán)，通過(guò)改變慣性輪質(zhì)量，調(diào)整慣性輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，配合不同轉(zhuǎn)速，達(dá)到不同轉(zhuǎn)向架不同工況下試驗(yàn)的能量需求。

輪軸和輪心組裝是慣性輪組裝制造重要環(huán)節(jié)，軸孔采用?265H7/s6過(guò)盈配合，最大過(guò)盈量約0.18mm，輪軸表面不允許有劃傷。熱裝工藝研究目前主要集中在包容件的加熱問(wèn)題上，本文考慮同時(shí)將孔件升溫和軸件降溫，利用Abaqus軟件來(lái)分析大規(guī)模多組件模型的熱學(xué)問(wèn)題[1-2]。

圖1 慣性輪主要結(jié)構(gòu)

1 熱裝工藝

熱裝主要根據(jù)熱脹冷縮原理，通過(guò)讓孔脹大或讓軸縮小使其輕松裝配到位，恢復(fù)到室溫時(shí)，軸孔恢復(fù)到原有尺寸，以達(dá)到配合效果[3]。對(duì)于熱裝，根據(jù)配合直徑，可得到熱裝所需間隙Δ為：

式中：d——配合直徑，mm，取值265mm。

熱裝所需間隙Δ與孔件升高溫度t1、軸件降低溫度t2函數(shù)關(guān)系式為：

式中：δ——實(shí)測(cè)最大過(guò)盈量，mm，為安全起見，取最大過(guò)盈量0.18mm；

k1——孔件材料線膨脹系數(shù)，輪心材質(zhì)45鋼；

k2——軸件材料線膨脹系數(shù)，輪軸材料40Cr，參照表1取值；

t0——環(huán)境溫度20℃；

t1、t2——可根據(jù)加熱制冷方法適當(dāng)選取。大型零件吊裝對(duì)位困難，裝配過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，考慮此過(guò)程中的溫度損失，實(shí)際溫度在t1、t2基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)增加降低10℃～30℃。

2 仿真分析

2.1 熱應(yīng)力物理方程

若物體內(nèi)部存在溫差分布 ΔT（x，y，z），因溫差引起的熱膨脹量為 αTΔT（x，y，z），αT為熱膨脹系數(shù)，物體的物理方程由于引入了熱膨脹量，將變?yōu)閇4]：

式（3）中的指數(shù)形式為：

或者

其中：

2.2 網(wǎng)格及材料屬性

利用Abaqus軟件，考慮溫度場(chǎng)作用，建立仿真模型。該模型由兩個(gè)構(gòu)件組成，輪軸材質(zhì)40Cr，輪心材料45鋼，材料屬性如表1所示。由于該零件幾何、邊界約束及載荷均為軸對(duì)稱，因此選回輪軸、輪心的回轉(zhuǎn)體截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]，共得到CAX4R網(wǎng)格19137個(gè)，節(jié)點(diǎn)19850個(gè)，如圖2所示。

表1 40Cr/45鋼材料屬性

圖2 網(wǎng)格劃分

2.3 邊界載荷及分析步

對(duì)于慣性輪，可忽略所受重力影響，設(shè)置邊界條件[6-8]。建立1個(gè)通用靜力學(xué)分析步驟，時(shí)間為1s。在系統(tǒng)默認(rèn)初始分析步中給輪軸、輪心分別創(chuàng)建初始溫度場(chǎng)，大小為20℃，在通用靜力學(xué)分析步將輪軸溫度場(chǎng)定義為0℃，將輪芯溫度場(chǎng)定義為300℃，表明在1s內(nèi)，輪軸的溫度由20℃改變?yōu)?℃，同時(shí)輪心由20℃改變?yōu)?00℃。分別選取輪軸外表面和輪心內(nèi)表面上的結(jié)點(diǎn)的徑向位移作為歷史歷程輸出，并以此檢測(cè)其單邊間隙量。

3 結(jié)果與驗(yàn)證

3.1 仿真結(jié)果

建立相應(yīng)作業(yè)并求解，經(jīng)過(guò)1個(gè)增量步和1次迭代，該分析達(dá)到了收斂。為了清楚顯示變形情況，將變形顯示比例縮放至30倍，應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如圖3、4所示。由圖可知，慣性輪的最大應(yīng)力為4.042×10-11MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.468mm，最小應(yīng)變?yōu)?.463×10-4mm。

圖3 應(yīng)力

圖4 應(yīng)變

圖5 單邊間隙隨溫度變化曲線

軸孔單邊間隙隨溫度變化曲線如圖5所示，其中實(shí)線由仿真得到，虛線由理論公式計(jì)算得出。在輪軸溫度場(chǎng)由20℃降至0℃，輪心溫度場(chǎng)由20℃升至300℃時(shí)，仿真得到單邊間隙量由-0.09mm變化至0.427mm，理論計(jì)算得出單邊間隙量由-0.09mm變化至0.465mm，二者相吻合。

3.2 生產(chǎn)應(yīng)用

根據(jù)公式（1），Δ取值0.53mm，從圖5仿真曲線上得到對(duì)應(yīng)輪心溫度t1=212.236℃，輪軸溫度t2=6.269℃。帶入公式（2）得到Δ理論值為0.58mm?？紤]整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中溫度消耗，輪心溫度加熱到230℃，輪軸放置室外自然降溫，保證其溫度在組裝時(shí)處于0℃以下，制造專用工裝將輪軸豎立放置，水平吊裝輪心并調(diào)整位置直至組裝完成。通過(guò)該工藝方法，順利完成4對(duì)輪軸、輪心組裝，依據(jù)GB15822標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行磁粉探傷，輪軸表面無(wú)任何缺陷，表明該方法切實(shí)有效，從而證明了理論公式、仿真結(jié)果的有效性。組裝后實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 裝配圖

4 結(jié)論

根據(jù)熱脹冷縮原理，推導(dǎo)得到熱裝間隙與孔件加熱溫度、軸件冷卻溫度之間的函數(shù)關(guān)系。以Abaqus軟件為平臺(tái)，根據(jù)慣性輪幾何與邊界特點(diǎn)，采用CAX4R單元類型和中心對(duì)稱方法，得到軸孔單邊間隙隨溫度變化曲線。當(dāng)輪軸由20℃降為0℃，輪心由20℃升為300℃時(shí)，仿真結(jié)果表明，單邊間隙量由-0.09mm變化至0.427mm，理論計(jì)算結(jié)果單邊間隙量由-0.09mm變化至0.465mm，二者吻合。

對(duì)于大尺寸軸孔類產(chǎn)品過(guò)盈組裝，可采用孔件升溫、軸件降溫的方式，通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析相結(jié)合，確定合理的熱裝溫度和工藝方案。從實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，該方法切實(shí)有效，對(duì)軸孔類產(chǎn)品熱組裝制造研究具有重要的參考意義。

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Simulation analysis of hot charging for inertia wheel based on ABAQUS

ZHANG Guoxin,WANG Hongyu,WAN Dehong,LI Linjie
（CRRC Qiqihar Rolling Stock Co.,Ltd.,Qiqihar 161002,Heilongjiang China）

The function relation formula of hot charging gap and heating temperature of hole part&cooling temperature of axial member has been put forward according to the principle of thermal expansion.The changing situation of inertia wheel center and axle gap with change of temperature has been studied on the basis of Abaqus software platform and thermal stress theory by use of finite element method.The simulation results show that the single side gap value has been changed from-0.09mm to 0.427mm when wheel axle temperature field changes from 20℃ down to 0℃ and the wheel center changes from 20℃ up to 300℃.The result matches with the theoretical value,which provides reference for hot charging method research.

Inertia wheel;Abaqus;Hot charging;Simulation analysis

TP391.9

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.012

1672-0121（2017）03-0049-03

2016-12-06；

2017-02-14

齊齊哈爾市科技局工業(yè)攻關(guān)資助項(xiàng)目（GYGG-201207）

張國(guó)欣（1972-），男，工程師，從事模具設(shè)計(jì)及制造工藝研究

李林杰（1987-），男，碩士。E-mail：lilinjie1987@126.com