北京地铁14号线车轮踏面制动热负荷计算的分析研究

[摘 要] 文章计算北京地铁14号线新轮（φ840）和磨耗到限车轮（φ770）在踏面摩擦制动条件下连续两次紧急制动和正常运营制动工况下的车轮热负荷，考查摩擦温度和车轮踏面损伤，对车轮踏面制动热负荷进行分析和评估。

[关键词] 车轮；制动；热负荷；计算

[作者简介] 张建国，南车青岛四方机车车辆股份有限公司城轨事业部技术部，山东 青岛，266111

[中图分类号] U231 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2013）03-0017-0002

根据北京地铁14号线车轮踏面制动的制动参数及制动工况，对北京地铁14号线车轮踏面制动热负荷进行分析和评估。通过计算新轮（φ840）和磨耗到限车轮（φ770）在踏面摩擦制动条件下连续两次紧急制动和正常运营制动工况下的车轮热负荷，考查摩擦温度和车轮踏面损伤（轮轨接触压力和热应力共同作用）。计算软件为大型通用商业有限元分析软件ANSYS，计算硬件为Dell工作站。

一、计算模型

（一）有限元模型

计算模型取单个车轮带轴模型，有限元模型中车轮与轴共用节点，轮径分别为新轮840mm和磨耗到限车轮770mm，车轮踏面类型为LM型。车轮采用8节点6面体实体单元划分，新轮由181080个节点和163200个单元组成，磨耗到限车轮由178080个节点和160200个单元组成。

二、评价方法及评价指标

（一）温度评价

英国德比研究所对高磨合成闸瓦车轮研究结果认为，车轮踏面局部温度超过900℃可能使轮箍断裂，超过700℃产生明显裂纹，超过600℃产生允许裂纹，超过400℃不会产生裂纹，为防止车轮表面产生热裂纹，要求车轮踏面温度不得超过600 ℃。[1]我国铁道部行业标准《货车高摩擦系数合成闸瓦》（TB/T 2403-2010）[2]要求车轮踏面温度不得超过400℃，因此，本报告将根据合成闸瓦的要求（TB/T 2403-2010）来评价车轮最高温度。

（二）车轮踏面损伤评价

根据文献[3]，评价轮轨赫兹接触压力和热应力共同作用引起的车轮损伤，如图1所示。图中，横坐标为车轮踏面最大热应力，纵坐标为轮轨接触最大赫兹接触压力，区域A是常用制动区，区域B是非常用制动区，区域C是危险区。

三、计算结果

（一）轮轨赫兹接触压力

（二）新轮紧急制动

首先，车辆减速制动，在制动之初，车辆运行速度相对较大，此时车轮踏面的热流密度输入随着制动时间的增加而增大，且制动产生的热量大于对流交换的散热，在这一阶段车轮温度随着制动时间的增加而升高。随着速度的减小，车轮踏面的热流密度输入减小，当车轮表面的对流交换散热大于车轮踏面热流输入产生的热量时，车轮温度开始降低，这使得车轮踏面温升峰值出现在车轮制动过程中。最高制动温度为199℃，出现在第二次制动过程中，该温度满足使用要求。

80 km/h新轮连续两次紧急制动工况中，车轮踏面温升最高时，显著温升区主要集中在车轮踏面和轮辋外侧，最大等效热应力出现在车轮踏面（248 MPa），辐板与轮辋交接处以及辐板中部都出现较大的等效热应力。

80 km/h时新轮连续两次紧急制动工况中，车轮踏面温升最高时，径向最大拉应力出现在车轮辐板与轮辋和轮毂交接部位以及辐板中间内凹部位，最大压应力出现在车轮踏面。周向最大压应力也出现在车轮踏面，且其辐板上出现最大周向拉应力。

（三）新轮全程制动

在全程制动过程中，车轮峰值温度随制动次数增加而升高，当列车通过较长的站间距时，空气对车轮的热流交换对车轮的冷却效果显著，踏面峰值温度将出现明显下降。计算结果表明，在全程运行踏面制动工况中，车轮踏面最高温度出现在返程第25次制动过程中，其最高温度为260℃，该温度满足使用要求。

80 km/h新轮全程运营制动工况中，车轮踏面温升最高时，最高温升出现在车轮踏面，辐板与轮辋交接处有明显温升，最大等效热应力出现在车轮踏面（294MPa），辐板中部内凹部位及靠近轮辋的上半部分应力水平也较高。

80 km/h新轮全程运营制动工况中，车轮踏面温升最高时，径向最大拉应力出现在车轮辐板与轮毂及轮辋交接处以及辐板中部内凹处。周向最大拉应力出现在车轮辐板与轮辋过渡部位外侧以及辐板中部内凹处，最大压应力出现在车轮踏面。

（四）磨耗到限车轮紧急制动

温升变化规律与新轮温升变化规律类似。最高制动温度为231℃，出现在第二次制动过程中，该温度满足使用要求。

80 km/h磨耗到限车轮连续两次紧急制动工况中，车轮踏面温升最高时，显著温升区主要集中在车轮踏面，轮辋与辐板交接处有明显温升，最大等效热应力出现在车轮踏面（286 MPa），辐板与轮缘交接处到辐板与轮毂交接处都出现较大的等效热应力。

80 km/h磨耗到限车轮连续两次紧急制动工况中，车轮踏面温升最高时，车轮径向和周向热应力分布规律与新轮的类似。

（五）磨耗到限车轮全程制动

温升变化规律与新轮的类似，最高温度为287℃，该温度满足使用要求。

80 km/h磨耗到限车轮全程运营制动工况中，车轮踏面温升最高时，车轮温度场分布和等效热应力分布规律与新轮的类似，辐板温度较高，最大等效热应力出现在车轮踏面（311 MPa），辐板应力水平较高。

80 km/h新轮全程运营制动工况中，车轮踏面温升最高时，径向最大拉应力出现在车轮辐板与轮辋及轮毂过渡部位外侧以及辐板中部内凹部位。周向最大拉应力出现在车轮辐板中部，最大压应力出现在车轮踏面。

（六）损伤评价

表2和图2给出了以上计算工况下车轮踏面损伤评价。

四、结 论

本研究计算的两种工况即仅踏面制动下连续两次紧急制动和全线往返踏面制动，属于较少发生的情况，即属于非常用制动（对应于最大热应力评价的B区）。因此，对于北京地铁14号线列车运行时速80 km/h条件下，仅考虑空气制动（即纯踏面摩擦制动）时，连续两次紧急制动和全程运营制动条件下新轮和磨耗到限车轮均完全满足踏面最高温度要求和车轮踏面损伤要求。

[参考文献]

[1]王京波.合成闸瓦对车轮热影响的研究[J].铁道机车车辆，2003， 23（增刊2）.

[2]中华人民共和国铁道行业标准.货车高磨合成闸瓦. TB/T 2403-93[S].

[3]金学松，刘启跃.轮轨摩擦学[M].北京：中国铁道出版社，2004.