机车轮对轮箍加装扣环方案的力学性能分析

摘要

为了防止内燃机车轮箍弛缓造成的机车脱轨事故，郑州铁路局机务处提出了给组装式机车轮对轮箍加装扣环的方案。机车轮对轮箍加装扣环后的运行实践证明，该方案可有效地防止因轮箍弛缓而造成的机车脱轨等重大事故，但轮箍加装扣环后由于结构发生了变化，存在以下几个方面的问题：轮辋与轮箍的配合面变短，轮辋受力中心外移导致轮辋弯曲变形；扣环槽部不可避免会有应力集中；轮箍的踏面和轮缘在使用过程中会发生磨损；恢复踏面和轮缘的线型时，需要对车轮进行车削修整，导致轮箍与轮缘变薄。因此，就加装扣环车轮在结构上的变化而引起车轮强度的变化进行分析与研究，在为机车轮对的结构设计提供理论依据，保证铁路机车安全运行等方面具有十分重要的意义。 本文以大型通用有限元分析软件ANSYS为分析工具，在装配应力、直线及曲线三种工况载荷下分别对加装扣环车轮及未加装扣环车轮进行了静力分析，并对计算结果进行了对比，确定了扣环槽对车轮结构的影响。此外，还对计算结果从静强度和疲劳强度两方面进行了评价。结果表明扣环槽对车轮局部的静强度产生一定影响，但这些影响主要是由于扣环槽的应力集中和轮箍轮辋配合面变窄引起的，对整个车轮的应力分布并没有多大影响，而且从应力数值上看，影响也很小的。 同时，对加装扣环车轮进行了模态分析，提取了前十阶固有频率和振动型态，与未加装扣环车轮的前十阶固有频率和振动型态进行对比，并在此基础上针对机车过过轨缝受到冲击的垂向动力学响应进行了分析，进一步确定扣环槽对车轮动力学性能的影响。结果表明无论是节点位移，节点力及节点应力均滞后于垂向动载荷的变化，扣环槽的存在对车轮动力学性能的影响较对静力学性能的影响要大一些，但并没有引起质的变化。 最后，针对铁道部提出的轮箍踏面禁用厚度，用穷举的方法对三组不同厚度(38mm，30mm，25mm)的踏面车轮在最恶劣工况载荷下进行分析计算，结果表明踏面厚度的变化并没有影响车轮整体的应力分布，而是将应力最大值由新轮的辐板弯曲处转移到轮箍上，仅从静强度和疲劳强度两方面考虑，加装扣环车轮在踏面厚度为30mm时运行是安全的。因此可以断言，轮箍加装扣环后铁道部原来规定的踏面与轮缘的禁用限度能够保障机车的安全运行。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2有关机车车辆的相关介绍及研究现状

1.2.1机车车辆-轨道大系统概述

1.2.2机车轮对的组成及作用

1.2.3机车轮对的研究现状

1.3机车轮对轮箍加装扣环方案的提出及概述

1.3.1加装扣环方案提出的背景

1.3.2方案的阐述及拟解决的问题

1.2本文的研究内容

第二章数值模拟的基本理论及相关技术

2.1有限单元法基本理论概述

2.2大型有限元分析软件ANSYS简介

2.2.1 ANSYS软件包的介绍

2.2.2利用ANSYS进行分析计算的一般性方法

2.3分析计算中的关键技术

2.3.1接触非线性的处理

2.3.2复杂动载荷的施加

2.4本章小节

第三章加装扣环轮对的受力工况分析

3.1轴重转移的计算

3.1.1转向架内的轴重转移

3.1.2转向架间的轴重转移

3.1.3持续牵引工况下轴重转移的计算

3.2轮重转移的计算

3.3牵引力的计算

3.3.1计算粘着系数μj

3.3.2机车计算质量、最高运用速度

3.3.3牵引力的取值和牵引力使用系数

3.3.4计算

3.4侧向力的计算

3.5钢轨轨缝接触-冲击力的折算

3.6本章小节

第四章加装扣环车轮在各种工况载荷下的静力学性能分析

4.1静力学性能分析概述

4.2静力学性能分析

4.2.1有限元模型的简化与建立

4.2.2边界条件的施加

4.2.3求解并提取相关计算结果

4.3计算结果分析与评价

4.3.1加载扣环车轮与未加装扣环车轮的静力学性能比较

4.3.2静强度和疲劳强度的评价

4.4本章小节

第五章加装扣环车轮的动力学性能分析

5.1动力学性能分析概述

5.2加装扣环车轮的振动模态分析

5.2.1模态分析简述及分析步骤

5.2.2加装扣环车轮的振动模态分析及结果对比

5.3加装扣环车轮的瞬态动力学分析

5.3.1瞬态动力学分析简述及分析步骤

5.3.2加装扣环车轮在轨缝冲击影响下的性能分析

5.4本章小节

第六章加装扣环轮对轮箍踏面与轮缘禁用限度

6.1磨耗型踏面的结构特点及轮箍磨耗后的重建模

6.1.1磨耗型踏面的结构特点

6.1.2轮箍踏面磨耗后的重建模

6.2轮箍踏面安全许用边界的寻求

6.3轮箍踏面安全许用边界的确定及评价

6.4本章小节

第七章总结与展望

7.1本文主要研究内容

7.2本文主要研究成果

7.3结论

7.4展望

参考文献

致谢

附录一分析计算的APDL程序清单

附录二论文发表情况

附录三攻读硕士学位期间参加的科研工作

附录四加装扣环车轮的相关照片

附录五查新报告