壓剪型城軌彈性車輪分析研究

王洋

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

彈性車輪在降低城市軌道交通車輛的運行噪音，減輕輪軌磨損，提高車輛運行穩定性等方面優于傳統剛性車輪，將越來越多的被國內外城軌車輛采用。現代城軌車輪運行速度不斷提升，車輛運行特別是全滑制動過程中，輪軌接觸表面將產生大量的摩擦熱，導致輪軌間出現熱疲勞損傷。熱應力使輪軌表面產生裂紋，造成輪軌表面損傷，制動過程產生的高溫將加速車輪輪箍與輪心間橡膠的老化，降低橡膠的吸振、緩沖和降噪效果，因此，探索輪軌運行過程溫升規律對研究彈性車輪的熱損傷和疲勞損傷具有十分重要的意義。

車輪踏面和鋼軌表面的熱損傷是車輛運行過程中的常見問題，如圖1所示。由于測量輪軌摩擦溫升難度較大，因此有必要進行數值模擬，分析輪載、相對滑動速度和摩擦因子對輪軌摩擦溫升的影響［1］，早期的學者主要采用拉普拉斯變換法研究輪軌之間由于滑動引起的溫升，計算模型采用大量簡化假設，所得的解析解僅能定性的分析輪軌接觸溫升［2］。目前，針對制動過程中的熱耦合計算，主要采用大型有限元商業軟件進行計算［3-4］，利用ANSYS、ABAQUS、MARC等建立了輪軌熱力耦合分析的有限元模型，分析制動過程中制動盤瞬態溫度場的分布規律，制動盤瞬時溫度場的三維分布特征以及制動盤工作面的熱循環歷程。文獻［5-6］分析了不同制動加載方式、制動工況和環境溫度對制動盤瞬態溫度場的影響以及制動過程中溫度和應力的變化規律。通過數值模擬結果與1 ∶1 制動臺架試驗結果進行比較，兩者比較吻合，證明了數值計算的可靠性。

圖l 車輪踏面擦傷照片Fig.1 Photo of wheel tread scratch

以德國ICE高速列車使用的壓剪型橡膠彈性輪對為原型，建立輪軌三維模型，如圖2所示，采用整體輸入熱流和對流換熱的計算模型為基礎的傳熱計算方法，分析車輛在設計時速100 km·h-1運行和全滑制動過程中對彈性車輪附近溫度分布。

1 輪軌傳熱數學模型

圖2 壓縮剪切型彈性車輪結構圖及有限元網格Fig.2 Compression-shear type elastic wheel structure and finite element mesh

車輪在鋼軌上滑動引起的輪軌接觸導熱微分方程［7］

式中：T為輪軌材料的溫度；ρ為輪軌材料的密度；c為輪軌材料的質量熱容；λij為材料在各向的熱導率；Q為內熱源項；xi為法向基量；xj為切向基量；t為時間。

1）輪軌表面給定的初始溫度

此為第一類邊界條件，溫度邊界條件可以時間和空間不同而發生變化。

2）假設輪軌間摩擦系數為μ和相對滑動速度υs為常值，接觸區摩擦熱流密度

式中：λ為熱導率；en為接觸區單位法向矢量；q(x1，x2)為接觸區法向熱流分布；p(x1，x2)為接觸區法向壓力分布；此為第二類邊界條件。

3）在邊界上給定輪軌與空氣對流換熱的邊界條件為第三類邊界，該邊界條件給定對流換熱熱流

式中：h為表面對流換熱系數；T∞為環境溫度。

4）當輪軌表面溫度高于100 ℃時，輻射邊界條件則不可忽略，表面的熱輻射邊界條件為

式中：σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數；ε為表面發射率。

2 載荷計算分析

2.1 車輪高速全滑制動工況

城鐵輪軌載荷計算參數如表1所示：計算采用變比熱容、熱導率的參數化加載方式。

表1 城鐵輪軌載荷計算參數表［8］Tab.1 Urban rail load calculation parameters

計算結果表明：由于城軌車輪車體較輕，全滑工況下車輪輪箍最高溫度為389 ℃，最高溫度在輪箍材料的許用溫度范圍內，輪箍內部的橡膠彈性元件的溫度已高達150 ℃，橡膠元件在工作過程中，當其溫度超過70 ℃時，橡膠將提前老化，超過100 ℃時，粘接性發生破壞。橡膠彈性車輪的設計壽命須達到10萬公里以上，且在壽命期間內不更換彈性車輪的橡膠元件，因此，城軌運行過程中應減少或避免高速工況下全滑行制動。車輪高速全滑制動輪軌及彈性元件溫度分布如圖3所示。

列車在不同載荷下滑行后接觸區溫度的變化，載荷變化對車輪接觸區峰值溫度影響很大。相同工況下，計算列車載客質量分別為滿載、半載、空載3種工況下，輪軌接觸峰值溫度分別為452，389，294 ℃。

圖3 車輪高速全滑制動輪軌及彈性元件溫度分布Fig.3 Temperature distribution of wheel and elastic element on full-speed slip brake

2.2 車輪盤式蠕滑制動工況

載荷增加和制動控制會使輪軌摩擦力增大，車輪發生全滑制動的工況較少，而發生蠕滑（滾劃）制動的可能性最大，蠕滑制動是城軌車輪主要的制動工況。蠕滑制動時，由于滑動摩擦時間縮短，高溫區可以有效擴散，有效降低輪軌接觸峰值溫度。

以下分析城軌車輛以設計時速100 km·h-1制動條件下，滾滑200 m輪軌及彈性元件溫度分布情況。

計算結果表面，城軌車輛采用滾滑制動條件下，輪軌的接觸溫度較低，且橡膠元件周向溫度分布均勻，平均溫度均低于設計溫度70 ℃，滿足彈性元件長時間工作的環境條件。

2.3 無制動運行工況

當城軌車輛處于無制動正常運行工況時，輪箍溫度溫度低且分布周向一致性好，圖4，圖5是車輪在設計時速100 km·h-1勻速運行工況下的輪軌溫度和彈性元件溫度分布情況。

圖4 車輪高速蠕滑制動輪軌及彈性元件溫度分布Fig.4 Temperature distribution of wheel and elastic element on high-speed creep brake

圖5 車輪高速無制動運行輪軌及彈性元件溫度分布Fig.5 Temperature distribution of wheel and elastic element on high-speed running

當車輛處于無制動運行工況時，車輪周向溫度低且分布均勻。彈性橡膠件溫度處于最佳工作溫度范圍，滿足城軌車輪長時間穩定運行的需求。該工況為熱負荷最低的工作工況，分析結果表面，車輪運行在工況3不會出現熱應力破壞和彈性橡膠結構熱損傷。

3 結論

1）城軌車輛在全滑制動工況下，車輛在高載荷高速運行條件下，輪箍抱死滑行，輪軌接觸溫度將急劇增加，將導致車輪踏面磨損和彈性元件超溫運行，降低彈性車輪的使用壽命。

2）城軌車輛處于蠕滑制動工況下，輪箍踏面與軌道滾滑均勻接觸，踏面溫度分布較為均勻，且彈性元件在設計溫度內工作，滿足城軌車輪正常制動的需求。

3）高速無制動運行工況是城軌車輪的主要運行工況，輪箍踏面溫度峰值不明顯，且踏面溫度受速度影響較小，車輪內部彈性元件在最佳設計溫度內工作，可以滿足彈性車輪長時間壽命需求。

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