机车车轮对流传热系数计算

朱琳　王励　石伟

摘要：对流传热系数的准确计算对研究机车车轮温度场和应力场及其疲劳寿命预测有重要意义.针对HXD2机车车轮踏面制动过程，建立车轮及其绕流流场计算模型，应用CFD方法通过仿真得到机车车轮在不同运行速度下的对流传热系数.结果表明：由于车轮自身旋转，车轮表面不同位置处的对流传热系数不同；车轮上半迎风面的对流传热系数较大，下半迎风面较小，且都大于背风面数值.计算结果为研究机车车轮对流传热、蠕滑和制动等传热过程提供参考.

关键词：机车； 车轮； 对流传热系数； 蠕滑； 制动； CFD

中图分类号： TH117.1； U260.3311

文献标志码： B

0引言

铁路运输作为最重要的运输手段之一，在国民经济运行中发挥重要作用.随着重载和高速技术的发展，机车制动能量需求越来越大.[1]踏面制动和盘式制动的安全性和可靠性成为研究领域的热点.

当机车踏面制动时，在制动缸空气压力作用下，制动闸瓦与车轮踏面发生剧烈接触摩擦，巨大的机车运行动能在较短时间内转化成热能传入车轮，车轮快速升温.[2]由于机车车轮承受大轴重载荷和大运

行牵引力作用，摩擦升温后温度载荷带来的热应力与循环加载的机械载荷造成的机械应力叠加，所以车轮内应力分布状态异常复杂.此外，车轮钢材料的屈服极限和抗拉强度等力学性能参数随温度变化较大.[34]因此，准确获得制动时车轮的实时温度对分析车轮应力分布状态、计算残余应力分布和预测车轮疲劳寿命等具有重要意义.[57]

当机车车轮制动时，制动摩擦产生的热量使车轮升温，且大部分通过绕流传入空气.因此，对流传热系数的确定成为研究温度场分布的重要工作.现有研究多数利用圆柱绕流的传热学解析公式求得规则圆盘结构的对流传热系数，作为不规则车轮结构对流传热系数的近似解.[810]因车轮外形近似处理且忽略车轮转动效应导致绕流流场变化，所以在某些运行工况下解析方法得到的对流传热系数会产生较大误差.本文分别建立重载机车HXD2的J2钢车轮及周围空气流场的计算模型，基于CFD方法通过数值仿真分析车轮的对流传热系数.

1有限元模型的建立

以HXD2重载机车车轮为研究对象，研究列车运行速度小于120 km/h时机车车轮的对流传热系数.将行驶过程中的机车状态进行简化，只考虑单个车轮的温度变化，忽略机车车体包括一系悬挂、基础制动和电机悬挂等对车轮表面换热的影响；同时，由于车轮与钢轨之间接触面很小，忽略接触面处车轮和钢轨与空气之间的传热.

采用HXD2机车车轮实际尺寸建立三维结构模型.考虑机车直线行驶时车轮对有限体积内气流的扰动影响，忽略车体悬挂及制动装置对车轮表面换热的影响，将绕流空气简化为一个大的长方体流体域.尽量满足车轮周围真实物理状态，建立流场计算模型，流体域控制体上下控制面的位置依据机车底部和地面这2个物面的位置选取，前后控制面的位置依据仿真车轮与其前后车轮之间的距离选取，左右控制面的位置依据悬挂及制动装置位置选取.同时，6个控制面的位置遵从外界扰动对控制体内流场流动影响不大的原则，以便使车轮流场的扰动对远场边界的影响很小.参与换热的空气包围整个机车车轮，简化模型见图1.

应用CFD软件FLUENT建立车轮结构与绕流空气的计算模型.采用四面体网格单元划分整个计算域.为保证换热计算的准确性，对靠近车轮表面区域内的网格进行加密处理，网格划分情况见图2，计算模型总单元数为3 761 156个.

2流体动力学计算方法

流体域控制的来流面采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件.依据相对运动原理将机车速度换算为空气来流速度，机车行驶速度等效为旋转角速度.根据HXD2机车正常行驶速度范围给定几个离散速度值作为速度入口边界条件分别进行计算.入口湍流边界条件依据经验公式得到，其中，湍流强度为2.41%，水力直径取1.412 m.设流体域其他4个界面为绝热边界，车轮上下控制面满足物面边界条件，左右控制面满足出入流边界条件.

机车行驶速度较快，模拟过程涉及到空气的湍流传热.车轮绕流流体具有较低雷诺数、可压缩性和剪切流传播等特点，仿真采用KOmega湍流模型的变形SST KOmega湍流模型，该模型在圆柱绕流的湍流换热计算中具有较高的计算精度.速度与压力的耦合运用SIMPLE半隐式迭代算法，压力采用PRESTO离散格式.为获得更准确的数值解，并保持最终解的稳定性，控制方程的扩散与对流相的离散格式采用2阶迎风格式.

为计算车轮与空气之间的传热，给定结构与流体之间的温度差.由于车轮与空气之间的传热系数主要由紧靠车轮处的空气流动状态决定，因此车轮表面设为恒温边界，对计算结果影响很小，通过流体热流计算车轮与绕流空气的对流传热系数.在计算过程中，车轮外表面温度值取40 ℃，空气来流温度值取20 ℃.

3计算结果与讨论

通过流体动力学计算，得到流场内的流线分布，见图4，可知，车轮对前进方向的来流扰动范围较小.车轮外表面为复杂的曲面，在空气掠过车轮时流动状态比较复杂.同时，车轮本身的旋转导致来流气体流过车轮的迎风面后向下流动，所以上、下两部分流体域的流线不对称，此流动特征对上、下两部分车轮的对流传热系数产生不同影响.

机车行驶速度为120 km/h时的车轮外表面对流传热系数分布见图5，可知，在绕流及车轮自身旋转的影响下，迎风踏面的下半部分对流传热系数较小，上半部分对流传热系数较大；背风面对流传热系数较迎风面小；在同一迎风或背风区域，因车轮与绕流空气的相对速度不同，对流传热系数不同.

4结论

采用CFD方法借助计算机高效建模和计算处理能力，为准确求解在不同速度下不规则机车车轮表面的对流传热系数提供参考.

（1）对流传热系数的产生及其数值大小直接受机车行驶速度的影响，且与机车运行速度基本满足线性关系：机车运行速度越大，车轮整体的对流传热系数越大.

（2）由于机车车轮的运动形式特殊，车轮不同位置处的对流传热系数不同.在机车直道行驶等工况中，需要输入车轮不同表面整体对流传热系数时，因CFD方法已经计算出所有车轮表面网格点处的对流传热系数值，通过积分可以快速准确地计算所需车轮各表面、各部位的整体对流传热系数，计算方法简便、可靠.

（3）准确计算对流传热系数，对分析车轮蠕滑、制动、车轮与车轴传热以及车轮与空气传热等有重要作用.对车轮温度升高产生的应力场分布、温度载荷与机械载荷产生的力热耦合应力场分布、多载荷工况下的车轮残余应力场分布、车轮裂纹萌生和扩展以及车轮循环加载下的疲劳与寿命等的分析和预测，对铁路高速重载运行有重要意义.

参考文献：

[1]马大炜. 铁道车辆制动热负荷的计算及应用[J]. 中国铁道科学， 2001， 21（4）： 3037.

[2]应之丁， 朱建安， 林建平. 快速重载货物列车踏面制动试验与分析[J]. 同济大学学报： 自然科学版， 2010， 38（9）： 13631396.

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[9]许国良， 王晓墨， 邬田华， 等. 工程传热学[M]. 北京： 中国电力出版社， 2010： 102108.

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（编辑武晓英）

（2）由于机车车轮的运动形式特殊，车轮不同位置处的对流传热系数不同.在机车直道行驶等工况中，需要输入车轮不同表面整体对流传热系数时，因CFD方法已经计算出所有车轮表面网格点处的对流传热系数值，通过积分可以快速准确地计算所需车轮各表面、各部位的整体对流传热系数，计算方法简便、可靠.

（3）准确计算对流传热系数，对分析车轮蠕滑、制动、车轮与车轴传热以及车轮与空气传热等有重要作用.对车轮温度升高产生的应力场分布、温度载荷与机械载荷产生的力热耦合应力场分布、多载荷工况下的车轮残余应力场分布、车轮裂纹萌生和扩展以及车轮循环加载下的疲劳与寿命等的分析和预测，对铁路高速重载运行有重要意义.

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（编辑武晓英）

（2）由于机车车轮的运动形式特殊，车轮不同位置处的对流传热系数不同.在机车直道行驶等工况中，需要输入车轮不同表面整体对流传热系数时，因CFD方法已经计算出所有车轮表面网格点处的对流传热系数值，通过积分可以快速准确地计算所需车轮各表面、各部位的整体对流传热系数，计算方法简便、可靠.

（3）准确计算对流传热系数，对分析车轮蠕滑、制动、车轮与车轴传热以及车轮与空气传热等有重要作用.对车轮温度升高产生的应力场分布、温度载荷与机械载荷产生的力热耦合应力场分布、多载荷工况下的车轮残余应力场分布、车轮裂纹萌生和扩展以及车轮循环加载下的疲劳与寿命等的分析和预测，对铁路高速重载运行有重要意义.

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（编辑武晓英）