(1.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001；2.大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412001)

0 引言

南非某型窄軌貨運電力機車是我國出口南非的大軸重窄軌機車，是滿足南非鐵路一般貨物運輸需求而研制的一款新型雙流制窄軌交流傳動貨運電力機車。輪對是轉向架乃至整個機車的關鍵部件，由車輪和車軸通過過盈配合剛性的連接在一起。輪對承受整個機車的重量以及在運動過程中由于軌面的不平順而產生的沖擊載荷，同時引導機車沿著鋼軌高速行使。其性能的好壞直接關系到機車和鐵路運輸?shù)陌踩?/p>

1 使用條件

轉向架的主要技術參數(shù)如下：

軌距 1 065 mm

軸式 Bo-Bo

軸重 26 t

輪徑(新輪/磨耗輪) 1 220 mm/1 140 mm

軸距 2 700 mm

輪對內側距 987 mm

軸頸中心距 1 744 mm

通過最小曲線半徑(正線/站場線) 106 m/85 m

2 輪對的技術特點

如圖1所示，該項目轉向架牽引電機采用抱軸式懸掛，一端通過電機懸掛裝置安裝在構架上，另一端由抱軸箱通過兩端的滾動抱軸承固定在車軸上；牽引電機的轉矩通過電機軸傳遞到小齒輪軸上，再通過大、小齒輪的齒輪副嚙合傳遞到車軸上，從而轉動車輪，驅動機車運行。

1.車軸 2.車輪 3.牽引電機 4.非傳動端抱軸承 5.抱軸箱 6.傳動端抱軸承 7.小齒輪 8.大齒輪

輪對由整體碾鋼車輪通過過盈連接與車軸壓裝在一起，綜合考慮運行經驗、相關試驗以及標準的規(guī)定，大軸重窄軌機車的輪軸過盈量取值范圍為：0.27～0.327 mm。

3 車輪

本項目車輪采用整體輾鋼全加工車輪，車輪材質采用AAR-C。由于采用踏面制動方式，本項目車輪采用斜輻板型式，以達到減少制動熱向輪座傳遞的目標。

車輪主要性能參數(shù)如表1所示。

在車輪實際制動過程中，伴隨著閘瓦與踏面之間的摩擦，閘瓦與踏面之間產生并聚集大量的熱，這些熱量順著輪輞向輻板方向傳遞，不斷地傳遞到車輪的內部，并通過與空氣的對流散去一部分的熱量。因此，踏面制動所產生的制動熱負荷對車輪的影響需要考慮。本文采用ANSYS有限元分析軟件對制動過程中的車輪進行溫度場和應力場分析，即是熱-應力耦合分析。

表1 機械性能參數(shù)(AAR-C)

3.1 計算模型

采用SOLID70三維熱單元進行網格劃分(見圖2)。由于在與閘瓦摩擦的踏面區(qū)域同時存在熱量輸入和熱對流，因此在車輪表面建立SURF152表面效應單元，溫度場邊界條件全部施加到該表面效應單元上。進行應力場計算時，熱模型轉化為結構模型，熱單元自動轉化為SOLID185三維結構單元。

圖2 車輪有限元模型網格離散圖

3.2 溫度場計算

3.2.1 溫度場邊界條件

式中n—每輛車所對應的閘瓦數(shù)，n=8

Sf—車輪旋轉一周時，閘瓦在踏面上掃過的面積，m2，Sf=πdL(其中：d—車輪輪徑，m；L—閘瓦的寬度，m。)

2)對流換熱。由于車輪在緊急制動時，運行速度隨時間呈線性變化，對流在計算時可以采用以下經驗公式：

h=16.7(1+1.33v)

式中：h—對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)

v—車輛運行速度，m/s

3)輻射換熱。使用ANSYS有限元軟件進行分析時，考慮輻射換熱主要是通過輻射率ε來實現(xiàn)。輻射率取0.66。

3.2.2 溫度場計算結果分析

圖3為車輪緊急制動時的幾個典型時刻溫度分布云圖。從圖中可以看出：在制動過程中，每一時刻車輪最高溫度均出現(xiàn)在與閘瓦摩擦的踏面上，隨著制動過程的進行，熱量逐漸由踏面向輪輞內部及輻板區(qū)域傳遞，在制動結束后的冷卻階段，車輪最高溫度出現(xiàn)在輪輞內部。

(a)制動開始 (b)制動22 s (c)制動結束 (d)制動結束后22 s

車輪在制動22 s時踏面溫度達到最大，且最大值為179.812 ℃。

3.3 應力場計算

3.3.1 熱應力計算分析

在車輪內孔施加全位移約束，對稱面施加對稱約束，計算車輪在制動產生的溫度載荷作用下的應力場。車輪在緊急制動下的熱應力分布云圖見圖4所示。

在制動過程中，車輪熱應力最大值始終出現(xiàn)在車輪踏面處。當制動結束后，由于缺乏熱量的輸入并且踏面和輪輞不斷向輻板處散熱，車輪踏面熱應力迅速降低，車輪輻板熱應力在制動結束后也有所降低，但是，車輪輻板的熱應力降低的速率小于車輪踏面的熱應力，這就造成在一段時間以后，車輪輻板熱應力甚至比車輪踏面熱應力大。

3.3.2 熱—力耦合計算分析

根據(jù)標準EN 13979-1，車輪按直線運行、曲線運行、道岔通過等3種情況，考慮了過盈量、最高溫度梯度載荷等情況下進行了熱—力耦合計算分析(見表2)。

車輪在不同工況下機械載荷作用位置及方向如圖5所示。

(a)制動開始 (b)制動22 s (c)制動結束 (d)制動結束后22 s

表2 計算工況

圖5 車輪在不同工況下機械載荷作用位置及方向

1)靜強度計算結果及分析。在規(guī)定的計算載荷作用下，車輪靜強度滿足設計和運行的條件為：其最大von_Mises應力不大于許用應力，即為：σmax≤[σ]。

在表2規(guī)定的三種工況下車輪的von_Mises應力云圖見圖6，由應力云圖可以看出：三種工況的最大von_Mises應力值分別為：289.171 MPa、308.21 MPa、305.018 MPa，其最大應力值均出現(xiàn)在輪轂與軸的配合區(qū)域。根據(jù)UIC510-5確定的靜強度許用應力[σ]=355 MPa。由此可見，車輪在三種工況下的最大von_Mises應力均未超過材料的許用應力，車輪的靜強度符合要求。

(a)工況1 (b)工況2 (c)工況3

2)疲勞強度分析。按照標準EN13979-1規(guī)定的應力確定方法，該方法認為車輪在運行中，各點為非對稱循環(huán)，其破壞型式由最大主應力方向的應力造成。由此，通過模型節(jié)點的應力分布信息，確定每個節(jié)點在不同載荷工況作用下的最大主應力和和最小主應力值；選取其中的最大主應力的最大值作為σmax，其他各工況在σmax方向的投影應力的最小值作為σmin，然后按下式計算平均應力、應力幅和極限應力。

極限應力：Δσ=σmax-σmin

計算出的極限應力Δσ范圍應當?shù)陀谠试S應力，即:Δσ<360 MPa。用Haigh圖形式的修正Goodman疲勞曲線評定車輪輻板的疲勞強度。

圖7 車輪輻板Haigh-Goodman疲勞曲線圖

圖7為該項目車輪輻板上各節(jié)點應力的Haigh-Goodman疲勞曲線，由圖7可以看出，車輪輻板節(jié)點的應力幅和平均應力均落在疲勞極限圖包絡的范圍內，車輪輻板區(qū)疲勞強度滿足要求。

4 車軸

4.1 車軸強度校核

本項目車軸為實心車軸，材質為EA4T，軸上裝有車輪、軸箱、抱軸箱、牽引齒輪等零部件。參考EN 13104標準對該項目車軸進行設計和校核。車軸各部位許用應力見表3。

表3 EA4T車軸各部位許用應力

注：區(qū)域1-軸身、軸承座、槽底、倒角、圓角；區(qū)域2-輪座、軸承座、齒輪座、制動盤座等壓裝部位

選取車軸計算截面應考慮：具有裝配應力集中位置；截面尺寸變化造成的幾何應力集中位置；最大彎矩區(qū)域位置和最小直徑截面位置等。根據(jù)以上的原則，此車軸強度計算取18個計算截面，如圖8所示。車軸的計算結果見表4。

圖8 車軸計算截面

表4 車軸截面應力計算及評估結果

由表4可知，車軸各部位的計算應力均低于相應的許用應力要求，車軸的強度滿足設計要求。

4.2 車軸輪座表面優(yōu)化

機車車輛運行過程中，輪對受到旋轉彎曲力矩作用，產生周期性的拉伸壓縮變形。在輪軸過盈配后邊緣由于剛度突變導致輪軸變形不一致，發(fā)生微小的相對滑動，在這種作用下車軸疲勞壽命急劇下降，這種現(xiàn)象稱為微動磨損疲勞。

提高微動磨損疲勞壽命有以下方法：

1)輪軸過盈配后處，輪轂端面應凸懸于輪座外面。這有利于減小輪軸間的微動幅值。

2)增加車軸剛度。增加車軸剛度在減小車軸的彎曲變形的同時也能減小輪軸間的微動幅值。

3)輪座滾壓強化。輪座滾壓強化處理可以提高輪座表面硬度、光潔度以及形成殘余壓應力，這些都有助于提高輪座疲勞強度。

4)輪座表面噴鉬處理。輪座表面的鉬層具有很高的硬度和抗粘附磨損特性，能夠有效防止車軸微動磨損，試驗結果表明噴鉬處理可以顯著提高車軸疲勞極限。

在本項目中，采用在車軸輪座表面噴鉬的方式來提高微動磨損疲勞壽命。通過在車軸輪座部位進行噴鉬處理，將微動磨損控制在鉬層，如果出現(xiàn)微動磨損裂紋情況，也可以將噴鉬層去除重新噴鉬，從而有效保護車軸。

5 結語

對于采用踏面制動的大軸重窄軌機車，研究車輪在踏面制動下的熱負荷問題是保證機車行車安全的重要問題之一。文中介紹的踏面制動車輪溫度計算、熱應力計算、熱機耦合仿真計算的等問題，對采用踏面制動輪對的設計和研究有一定的借鑒意義。對于采用抱軸懸掛的窄軌機車輪對，由于大齒輪座與輪座車軸較近，車軸細節(jié)處的設計也很關鍵，本項目通過對輪座表面噴鉬等方式來提高車軸的疲勞強度，對于類似車軸的設計具有一定參考價值。