机车轮对有限元分析及优化设计
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摘要
轮对是机车走行部分中重要而关键的部件之一，它几乎承受着机车的全部重量和载荷。随着机车向高速重载方向发展，机车的安全问题日益成为人们关心的话题。
当前我国运用的轮对，有不少轮对的失效形式为车轴表面出现裂纹，它带来安全隐患的同时也造成巨大的经济损失。例如，宝鸡段中期修检机车时拆检SS7C机车时，对车轴进行磁粉探伤，发现车轴表面因裂纹而出现聚粉现象，抱轴箱轴承座台阶处有较强烈的塑性变形。为了解决这一问题，设计人员以及研究者们做了许多的研究工作，但因其复杂的受力状态等原因，到目前为止还没有完全解决这一难题。
有限元技术的发展为经典弹塑性理论无法解决的复杂应力问题提供了重要方法。本文以SS7C型电力机车的轮对为例，根据接触力学理论，考虑轮对的结构和载荷情况进行建模，对机车的轮对进行比较全面的弹塑性有限元分析。针对轮对不同装配过程进行分析，模拟了温差法装配过程和压装法装配过程，分析了过盈量和空心度对应力的影响，通过比较分析，优化出合理的过盈量和空心度范围，为下一步的研究分析做准备。针对轮对不同工况载荷进行分析，分析了轮对在各种载荷工况条件下应力的分布情况，找出应力最大的位置即危险部位，从理论上提出降低应力、提高寿命的措施。另外，还针对轴毂配合处不同建模方式进行分析讨论，说明有限元建模是否准确非常重要。本文在用有限元方法对机车轮对进行有限元分析的过程中，考虑了材料塑性对车轴与轮对强度和寿命的影响，研究结果对各种机车轮对都有借鉴意义。
The wheel and shaft is one of the most important parts in locomotives since it almost supports all the weight and load of locomotive. With the development of high speed and heavy load of locomotives, the safety of the locomotives are more concerned by people.
The expired forms of many shafts and wheels are cracks, which not only brings dangers but also economic lost. For example, accumulating powder is found in some shafts when shafts are repaired in Baoji locomotive factory, and the phenomena of powder accumulation are caused by cracks. To solute the difficulty, a lot of work has been done by many designers and researchers, but some problems haven't been solved yet because of their complex load state.
Now, the development of finite element technology offers an important method to solve the complicated stress problems that can't be resolved by classical elastic-plastic theories. In this dissertation ABAQUS software is used to model SS7 locomotive wheel and shaft according to the load condition and the structure of wheel and shaft. The processing of differential temperature method and crushing method are simulated to get the effect of interference range and hollow ratio to stress. By analyzing, appropriate range of interference range and hollow ratio are figured out. What is more, the danger situation of the shaft and wheel is found by analyzing the stress and strain distribution under the condition of different working condition. Besides, by discussing the different modeling methods, the importance of modeling method is showed. So all the elastic and plastic FE analysis are very practical and supply theory basis to design and manufacture of locomotive wheel and shaft.
当前我国运用的轮对，有不少轮对的失效形式为车轴表面出现裂纹，它带来安全隐患的同时也造成巨大的经济损失。例如，宝鸡段中期修检机车时拆检SS7C机车时，对车轴进行磁粉探伤，发现车轴表面因裂纹而出现聚粉现象，抱轴箱轴承座台阶处有较强烈的塑性变形。为了解决这一问题，设计人员以及研究者们做了许多的研究工作，但因其复杂的受力状态等原因，到目前为止还没有完全解决这一难题。
有限元技术的发展为经典弹塑性理论无法解决的复杂应力问题提供了重要方法。本文以SS7C型电力机车的轮对为例，根据接触力学理论，考虑轮对的结构和载荷情况进行建模，对机车的轮对进行比较全面的弹塑性有限元分析。针对轮对不同装配过程进行分析，模拟了温差法装配过程和压装法装配过程，分析了过盈量和空心度对应力的影响，通过比较分析，优化出合理的过盈量和空心度范围，为下一步的研究分析做准备。针对轮对不同工况载荷进行分析，分析了轮对在各种载荷工况条件下应力的分布情况，找出应力最大的位置即危险部位，从理论上提出降低应力、提高寿命的措施。另外，还针对轴毂配合处不同建模方式进行分析讨论，说明有限元建模是否准确非常重要。本文在用有限元方法对机车轮对进行有限元分析的过程中，考虑了材料塑性对车轴与轮对强度和寿命的影响，研究结果对各种机车轮对都有借鉴意义。
The wheel and shaft is one of the most important parts in locomotives since it almost supports all the weight and load of locomotive. With the development of high speed and heavy load of locomotives, the safety of the locomotives are more concerned by people.
The expired forms of many shafts and wheels are cracks, which not only brings dangers but also economic lost. For example, accumulating powder is found in some shafts when shafts are repaired in Baoji locomotive factory, and the phenomena of powder accumulation are caused by cracks. To solute the difficulty, a lot of work has been done by many designers and researchers, but some problems haven't been solved yet because of their complex load state.
Now, the development of finite element technology offers an important method to solve the complicated stress problems that can't be resolved by classical elastic-plastic theories. In this dissertation ABAQUS software is used to model SS7 locomotive wheel and shaft according to the load condition and the structure of wheel and shaft. The processing of differential temperature method and crushing method are simulated to get the effect of interference range and hollow ratio to stress. By analyzing, appropriate range of interference range and hollow ratio are figured out. What is more, the danger situation of the shaft and wheel is found by analyzing the stress and strain distribution under the condition of different working condition. Besides, by discussing the different modeling methods, the importance of modeling method is showed. So all the elastic and plastic FE analysis are very practical and supply theory basis to design and manufacture of locomotive wheel and shaft.
引文
1．铁道部科学研究院研究报告．铁道部科学技术信息研究所．1996年7月
2．[苏]n。A。沙杜尔．车辆构造理论与计算．中国铁道出版社．1988年
3．许小强，赵洪伦．过盈配合应力的接触非线性有限元分析．机械设计与研究．2000，No．1：33～35
4．魏延刚．轴毂过盈联接的应力分析和接触边缘效应的研究．机械设计．2004，1(1)：15～17
5．魏延刚．机车轮对过盈配合压装过程的弹塑性模拟．机械设计．2004，9(9)：2～5
6．佟维．机车轮轴的三维接触分析．机车电传动，1999年增刊：11～14
7．陈道礼．过盈联接有限元分析．机械设计．2001，No．2：46～48
8．董美云，宋亚昕，魏延刚．机车轮对过盈配合温差法装配的有限元模拟．大连铁道学院学报．2003，12(4)：20～23
9．[日本]外山和男，井上纯．新干线电动车用车轴的疲劳可靠性评价和30年的成绩．住友金属48．1996(2)：13-19
10．[美]Daryl L．Logan．有限元方法基础教程．电子工业出版社．2003年8月
11．[日本]仪村修二郎．铁道车辆用车轴的实物疲劳强度试验．国外高速列车译文集——高速车辆技术专集(五)．1997年9月：165～169
12．[德国]R．Schraut．独立车轮双周转向架结构形式和首次试验结果．国外高速列车译文集——高速车辆技术专集(五)．1997年9月：87～93
13．[日本]赤间诚，石冢弘道．用计算机对车轴的可靠性进行评价 用概率论的断裂力学评价新干线车轴的可靠性．国外高速列车译文集——高速车辆技术专集(五)．1997年9月：50～54
14．[德国]L．Mauer，P．Meinke．对未来高速走行部的要求．国外高速列车译文集——高速车辆技术专集(五)．1997年9月：71～77
15．赵华，何翠微，刘建新．机车轮对装配应力的数值分析．铁道学报．1998，2(1)：15～19
16．魏延刚，宋亚昕，李健等．过盈配合接触边缘效应与应力集中．大连铁道学院学报．2003，9(3)：16～20
17．吴昌华，何素艳，迟作江．机车轮对三维接触精细分析的研究．大连铁道学院学报．1998，12(4)：24～29
18．张红军，王伯铭．离心力对高速动力车轮对效应的分析．铁道学报．1996，18(4)：30～33
19．董俊利，王家夫．形状误差对过盈联接摩擦力的影响分析及其修正．辽宁工学院学报．2002，6(3)：15～20
20．张剑，魏伟．车辆轮对压装过程的仿真．大连铁道学院学报．2002，23(2)：21～24
21．吴凤林，任家骏．轴肩过渡曲线形状设计研究．中国机械工程，1998，9(9)：23～26
22. Johnson K L. Contact Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press, (1985): 40～45
23. Hills D A, Nowell D, Sackfield A. Mechanics of Elastic Contact. Butterworth Heinemann Lt. (1993): 10～17
24. M.Bijak-Zochowski,A.M.Waas,W.J.Anderson and C.E.Miniatt. Reduction of Ccontact Stress by Use of Relief Notches. Experimental Mechanics, (1991): 14～19
25. Hanson MT, Keer 2 M. Mechanics of Edge Effects on Friction less Contacts. Int.J.Solids Structures, 1995,32(3/4):391-405:20～28
26. Kannel JW, Hartnett MJ. Theoretical and Experimental Evaluation of Edge Stresses under Severe Edge Loads. Trans.ASLE, 1983,26(1):25-30
27. J.M.de Mul, J.J.Kalker, B.Fredriksson. The Contact Between Arbitrarily Curved Bodies of Finite Dimensions. Transactions of the ASME, Vol.108,JANUARY 1986: 70～76
28. Tada Y. Optimum shape design of contact surface with finite element method[J], Advances in Engineering Software, 1993(18): 75～85
29. Jungsun P, Anderson W.J.Geometric optimization in presence of contact singularities[J], ALAA Journal, 1995, 33(8): 1503～1509
30. Volf B, Ondrouch J等. Noise and High Frequency Oscillations of Railway Vehicle Bogies[J], International Workshop on Railway Noise. 1998,(11):4-6
31．[瑞典]Roger Lunden等，万方(译)．30t轴重轮对的研制．RlyGaz．Intern．2001，№9：631～634
32．TB／T2395-93机车车轴设计与强度计算方法．
33．徐秉业，黄炎，刘信声，孙学伟．经典弹性理论中的接触问题．北京理工大学出版社．1991年12月
34．吴家龙．弹性力学．同济大学出版社．1987年8月
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