長大坡道貨運(yùn)列車周期性制動下車輪溫升分析

毛保華，龔超奇，張桐，楊彥強(qiáng)

長大坡道貨運(yùn)列車周期性制動下車輪溫升分析

毛保華1, 2，龔超奇1，張桐1，楊彥強(qiáng)1

(1. 綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2. 北京交通大學(xué) 中國綜合交通研究中心，北京 100044)

周期性制動是貨運(yùn)列車在長大下坡道運(yùn)行時的一種常見操縱策略，該過程中車輪會因頻繁抱閘而溫度上升，過高的溫度會危及行車安全。為提高列車運(yùn)行的安全性，考慮列車周期性制動對熱流密度和對流換熱系數(shù)2個車輪溫升關(guān)鍵因素的影響，基于ANSYS軟件建立二維車輪“運(yùn)動—溫度”有限元分析模型。對比已有研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型的數(shù)字實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模型有效，且得到：在設(shè)定前提下，無電制動力損失時，車輪溫度不超過350℃；1臺機(jī)車電制動力損失和電制動力完全損失時，坡道分別超過?23.7‰和?12.5‰后車輪溫度會超過400 ℃；減壓量每增加10 kPa，車輪最高溫度平均增加13.6 ℃；制動限速每降低5 km/h，車輪最高溫度平均降低16.2 ℃。研究結(jié)果可為線路坡道設(shè)計及電制動失效后的運(yùn)營組織提供參考。

貨運(yùn)列車；周期性制動；車輪溫升；列車管減壓量；制動限速

近年來，我國加快了西部地區(qū)鐵路的建設(shè)。西部山區(qū)多，地形高差起伏大，鐵路線路中經(jīng)常出現(xiàn)長大坡道。貨運(yùn)列車在長大下坡道運(yùn)行時，若機(jī)車電制動力無法使列車降速，列車將周期性地施加空氣制動以控制速度。閘瓦與踏面摩擦?xí)r車輪將出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，過高的溫度可能導(dǎo)致車輪損傷和制動效果降低等，危及行車安全。因此，研究長大下坡道貨運(yùn)列車周期性制動車輪溫升具有重要意義。車輪溫升研究最直接的方法是制動試驗(yàn)，中國鐵道科學(xué)研究院在1:1制動動力試驗(yàn)臺上對?915 mm和?840 mm貨車輾鋼車輪進(jìn)行制動摩擦試驗(yàn)，研究車輪熱負(fù)荷能力限制[1]。Teimourimanes[2]還進(jìn)行了地鐵列車實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，通過熱電偶采集車輪踏面溫度。針對試驗(yàn)方法難以進(jìn)行參數(shù)分析及資金耗費(fèi)高等不足，有不少學(xué)者采用有限元的方法對車輪溫升進(jìn)行研究。彭莉等[3?4]分別考慮列車實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和列車動力學(xué)仿真運(yùn)行，通過有限元方法模擬了大秦線重載列車全線運(yùn)行過程中車輪溫度場分布。在有限元模型的基礎(chǔ)上，針對重載貨物列車在長大坡道上緊急制動和恒速制動2種情境下，侯耐[5]研究了車輪和閘瓦的溫度變化情況。張金煜等[6?7]考慮車輪周期性旋轉(zhuǎn)時踏面摩擦生熱和對流換熱交替變化，將旋轉(zhuǎn)熱源法與均勻布熱法的結(jié)果進(jìn)行對比，并通過試驗(yàn)對結(jié)論加以驗(yàn)證；同樣考慮非均勻分布的摩擦熱流，張樂樂等[8]采用摩擦功率法及摩擦副周向接觸長度確定熱流密度，分析緊急制動下制動盤的溫度場。文永蓬等[9]分析了雙S型車輪的彎向、輻板厚度、靠近輪輞處圓弧半徑等參數(shù)對車輪溫升和耦合應(yīng)力的影響；Walia等[10]還考慮到直線型輻板車輪、運(yùn)營速度和減速度等。Ertz等[11]考慮將軌道和車輪看作整體，分析車輪沿軌道運(yùn)動過程中輪軌接觸的摩擦熱，計算踏面最高溫度。許多學(xué)者分析了車輪熱負(fù)荷的影響因素，包括踏面磨耗程度[12]、車輛軸重[13?14]、車輪和閘瓦接觸面積[14]。但上述有限元方法主要在列車緊急制動的前提下進(jìn)行研究，缺乏對列車運(yùn)行地刻畫，也少有周期性制動及相關(guān)參數(shù)對車輪溫度影響的分析。因此，本文以貨運(yùn)列車(2HXD2+50C70，簡稱列車)為研究對象，在刻畫列車長大下坡道周期性制動運(yùn)行的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元軟件建立二維車輪“運(yùn)動-溫度”有限元分析模型，并分析周期制動參數(shù)對溫升的影響。

1 考慮周期性制動的車輪“運(yùn)動—溫度”有限元分析模型

1.1 周期性制動描述

周期性制動是貨物列車在長大下坡道運(yùn)行時電制動力不足情況下采用的一種安全制動策略，以保證列車速度可控。列車在采取周期性制動時，坡道下滑力大于基本阻力與電制動力之和，僅依靠電制動力無法使列車速度降低，需要周期性地施加空氣制動以控制車速，如圖1所示。

圖1 長大坡道列車周期性制動

本文研究場景為列車制動過程：在指定長度和坡度的下坡道上，列車以制動限速為初速，交替進(jìn)行制動和緩解地從坡頂運(yùn)行至坡底。一個完整的制動緩解周期由-減速和-增速2個階段組成。在點(diǎn)，列車速度達(dá)到限速，而僅采用電制動力無法使列車減速；因此，在發(fā)揮全部可用電制動力的前提下，以一定的減壓量施加空氣制動，使列車速度降低。當(dāng)列車速度降至點(diǎn)時，列車緩解閘瓦以切除空氣制動力，在僅施加可用電制動力的情況下增速至限速點(diǎn)；其中，點(diǎn)速度根據(jù)-增速階段列車實(shí)際運(yùn)行時間恰大于列車副風(fēng)缸恢復(fù)至規(guī)定壓強(qiáng)和制動空走時間來確定。

圖1展示了列車運(yùn)行速度隨里程的周期性變化以及制動力的使用情況，該過程可以采用列車運(yùn)動學(xué)方程進(jìn)行數(shù)學(xué)化表示。將列車視為剛性質(zhì)點(diǎn)，并考慮其在無隧道的直線下坡道上運(yùn)行時，列車運(yùn)動學(xué)方程為：

式中：和分別表示列車運(yùn)行速度和運(yùn)行里程，與運(yùn)行時間相關(guān)，=()，=()；G表示列車在坡度上的下滑力；為0~2的整數(shù)，=2表示2臺機(jī)車電制動力均正常，=1表示僅1臺機(jī)車電制動力可以使用，=0表示電制動力完全失效；B()表示速度時一臺機(jī)車能夠發(fā)揮的最大電制動力；為0-1變量，=1表示列車處于抱閘制動狀態(tài)，=0表示列車處于閘瓦緩解狀態(tài)；表示減壓量；B(,)表示速度、減壓量時的空氣制動力；()表示列車基本阻力表示列車總質(zhì)量；V和V分別表示最小緩解速度和制動限速，最小緩解速度取10 km/h[15]。

列車經(jīng)過前一次制動后，需要一定時間等待副風(fēng)缸空氣壓強(qiáng)恢復(fù)至規(guī)定值，才能進(jìn)行下一次制動。因此，列車增速時間應(yīng)大于充風(fēng)時間和空走時間，即：

式中：T為列車從緩解速度至制動限速過程的增速時間；T和T分別為列車充風(fēng)時間和空走時間，按《列車牽引計算》[15]取值。

1.2 車輪有限元模型

車輪有限元模型將車輪離散化為有限數(shù)量的單元，再對每個單元的溫度進(jìn)行數(shù)值計算，得到車輪溫度分布。各網(wǎng)格單元中的最高溫度即為車輪最高溫度，是以車輪運(yùn)動隨時間變化的。采用ANSYS軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，包括材料參數(shù)、幾何模型及網(wǎng)格單元、邊界條件。

1.2.1 材料參數(shù)

材料參數(shù)是與溫度計算相關(guān)的車輪及閘瓦的固有理化屬性，包括密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱。車輪為輾鋼車輪，材料密度為7 850 kg/m3，其他材料參數(shù)如表1所示。閘瓦為高摩合成閘瓦，材料密度 為2 500 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.12 W/(m?K)，比熱為 0.9 J/(kg?K)。

表1 車輪材料參數(shù)

1.2.2 幾何模型及網(wǎng)格單元

模型選取直徑840 mm的新輾鋼車輪，輻板為S型，踏面為標(biāo)準(zhǔn)LM型。由于車輪結(jié)構(gòu)上具有軸對稱，并且車輪在列車運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)動速度較快，研究假設(shè)輸入車輪的摩擦熱在閘瓦掃過的踏面圓環(huán)面內(nèi)是均勻分布的，對流換熱沿車輪周向也是不變的。因此，車輪溫升有限元模型采用二維形式，網(wǎng)格劃分采用4節(jié)點(diǎn)的二維熱單元PLANE55，整體網(wǎng)格大小為4 mm，與閘瓦接觸的踏面處的網(wǎng)格為1 mm。最終模型包含1 957個單元和6 204個節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 二維車輪有限元模型

1.2.3 邊界條件

熱流邊界處熱量以熱流密度的形式輸入車輪，熱流密度與列車采用的減壓量、運(yùn)行速度有關(guān)。根據(jù)摩擦力做功，熱流密度可以表示為：

對流換熱邊界處熱量耗散通過對流換熱系數(shù)反映，列車周期性制動時，影響對流換熱系數(shù)的主要因素為列車運(yùn)行速度。因此，對流系數(shù)可用經(jīng)驗(yàn)公式[9]計算：

1.3 模型數(shù)字實(shí)驗(yàn)流程

周期性制動描述列車車輪運(yùn)動，有限元模型計算車輪溫度，式(1)，(5)和(7)通過速度、閘瓦壓力、熱流密度和對流換熱系數(shù)將車輪運(yùn)動和溫度聯(lián)系起來，車輪“運(yùn)動?溫度”有限元分析模型數(shù)字試驗(yàn)流程如圖3所示。

在“運(yùn)動?溫度”有限元分析模型中，車輪溫度是在車輪周期性運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)行計算的。首先，根據(jù)列車周期性制動的減壓量、電制動力、坡道、限速及再充風(fēng)時間等要求，式(1)~(4)分析列車車輪運(yùn)動，得出各時刻列車速度和閘瓦壓力。在此基礎(chǔ)上，式(5)~(7)以速度和閘瓦壓力計算車輪邊界上各時刻的熱流密度和對流換熱系數(shù)。最后，通過ANSYS軟件的瞬態(tài)熱分析功能計算各時刻各網(wǎng)格單元的溫度，并統(tǒng)計某時刻各網(wǎng)格單元最高的溫度為該時刻車輪最高溫度。

圖3 模型數(shù)字實(shí)驗(yàn)流程

1.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型用于分析列車長大下坡道周期性制動車輪溫升的有效性，制動試驗(yàn)所測得車輪最高溫度被用于與模型計算結(jié)果進(jìn)行比較。李蘭在中國鐵道科學(xué)研究院制動實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了制動熱負(fù)荷試驗(yàn)，踏面最高溫度平均值為414.6 ℃，最高溫度達(dá)到446 ℃[13?14]。圖4給出了采用上述試驗(yàn)參數(shù)時，本文模型與文獻(xiàn)[13]試驗(yàn)和計算結(jié)果的對比。

圖4 本文模型與試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖4可知，文獻(xiàn)[13]計算所得車輪踏面最高溫度為410.3 ℃，接近多次試驗(yàn)車輪最高溫度的平均值414.6 ℃；而本文模型計算所得最高溫度為440.3 ℃，接近試驗(yàn)達(dá)到的最高溫度446 ℃。從列車運(yùn)行安全的角度考慮，本文計算結(jié)果更加接近車輪能夠達(dá)到最高溫度，更能反映車輪溫升最嚴(yán)重的情況。因此，本文建立的車輪“運(yùn)動-溫度”有限元分析模型用于分析長大下坡道貨運(yùn)列車周期性制動對車輪溫升的影響是可行的。

2 車輪溫升數(shù)字實(shí)驗(yàn)案例及結(jié)果

本文以貨運(yùn)列車(2HXD2+50C70)為對象，對其在單一長大坡道上周期性制動進(jìn)行計算。相關(guān)參數(shù)說明如下：閘瓦為高摩合成閘瓦，寬度為85 mm；列車總質(zhì)量為4 900 t；坡道長度為15 km；外界空氣溫度和車輪初始溫度均為40 ℃。周期性制動限速為1 400 m制動距離標(biāo)準(zhǔn)的緊急制動限速，按文獻(xiàn)[16]公式計算；減壓量為滿足能使列車降速的最小減壓量。

圖5為列車在各坡度長大下坡道上周期性制動時車輪最高溫度，計算結(jié)果表明，車輪最高溫度與下坡道坡度值和電制動力失效的機(jī)車臺數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。對于5 000 t級貨運(yùn)列車，采用周期性制動運(yùn)行15 km的情境下，若2臺機(jī)車電制動力均能正常發(fā)揮，車輪溫度不超過350 ℃；若僅1臺機(jī)車電制動力能發(fā)揮，坡度超過?23.7‰時車輪最高溫度會超過400 ℃；若電制動力完全失效，坡道超過?12.5‰時車輪最高溫度會超過400 ℃。

圖5 車輪最高溫度

列車周期性制動過程中，車輪最高溫度隨運(yùn)行里程的變化情況如圖6所示。車輪最高溫度呈現(xiàn)出先上升后下降的周期性變化，這與列車運(yùn)行速度變化規(guī)律相一致。列車抱閘制動過程中，運(yùn)行速度降低，輸入車輪的摩擦熱相應(yīng)減小，車輪溫升速率降低；當(dāng)速度降低至一定程度，對流耗散的熱量超過輸入車輪的摩擦熱，車輪溫度緩慢降低。列車緩解增速過程中，閘瓦離開踏面之初，踏面處與外界空氣溫差大，對流耗散熱量大，車輪最高溫度快速下降；隨后降溫過程緩慢，車輪溫度無法在下一次抱閘前完全降到初始溫度。因此，隨著周期性制動次數(shù)的增加，車輪會達(dá)到的最高溫度會不斷升高，但會逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 車輪最高溫度隨制動過程的變化

3 周期性制動參數(shù)對車輪溫升的影響

列車周期性制動主要受坡度、電制動力大小、減壓量、制動限速和緩解速度的影響，但坡道、電制動力大小也是通過減壓量和制動限速影響制動過程的，并且當(dāng)制動限速確定后緩解速度也相應(yīng)確定。因此，下文著重分析減壓量和制動限速對車輪最高溫度和溫度變化過程的影響。

3.1 不同減壓量

改變減壓量，變化范圍為60~170 kPa，步長為10 kPa；坡道為?20‰，發(fā)揮電制動力的機(jī)車數(shù)為1臺，制動限速為91 km/h。如圖7(a)所示，車輪最高溫度與減壓量呈正相關(guān)。減壓量每增加10 kPa，溫度平均增加13.6 ℃；當(dāng)減壓量達(dá)到97 kPa時，車輪最高溫度會超過400 ℃。

以170 kPa和60 kPa為例，分析減壓量對車輪溫度隨列車運(yùn)行里程變化的影響，如圖7(b)所示。減壓量影響列車閘瓦壓力和副風(fēng)缸充風(fēng)時間，從而影響車輪抱閘溫升速率和緩解降溫。當(dāng)采用60 kPa減壓量時，車輪抱閘溫升速率為68.4 ℃/km；采用170 kPa減壓量時，溫升速度為589.1 ℃/km。這主要是由于：采用較大減壓量時，列車抱閘時閘瓦壓力大，使得列車更快減速的同時，輸入車輪的摩擦熱和熱流密度更大。另外，采用170 kPa減壓量時，緩解結(jié)束后車輪溫度降至100 ℃左右，比60 kPa減壓量約低40 ℃。原因主要在于：雖然采用大減壓量抱閘結(jié)束后車輪溫度更高，但較大減壓量要求更長緩解增速時間以滿足再充風(fēng)，這使得在列車緩解過程中車輪降溫更充分。

(a) 不同減壓量；(b) 溫度隨里程變化

3.2 不同制動限速

改變制動限速，變化范圍為50~91 km/h，步長為5 km/h；坡道為?20‰，發(fā)揮電制動力的機(jī)車數(shù)為1臺，減壓量為60 kPa。如表8(a)所示，車輪最高溫度與限速呈正相關(guān)，限速每降低5 km/h，溫度平均降低16.2 ℃；當(dāng)限速降至86.5 km/h時，車輪溫度不超過300 ℃。

以90 km/h和50 km/h為例，分析制動限速對車輪溫度隨列車運(yùn)行里程變化的影響，如圖8(b)所示。制動限速影響閘瓦摩擦系數(shù)和車輪制動功率，從而影響車輪溫升速率、最高溫度和溫度變化周期。在15 km的范圍內(nèi)，按90 km/h限速運(yùn)行時，車輪溫度經(jīng)歷4個周期；按50 km/h限速運(yùn)行時，車輪溫度經(jīng)歷9個周期。從第一個溫升周期看，90 km/h限速時列車運(yùn)行3.178 km，車輪溫度升至274.3 ℃；50 km/h限速時列車運(yùn)行0.952 km，車輪溫度升至140.4 ℃。原因主要在于：降低限速，平均閘瓦摩擦系數(shù)增大，列車減速更快，抱閘狀態(tài)下列車運(yùn)行距離更短，車輪溫度周期性變化更加頻繁；另外，低限速時由于列車平均運(yùn)行速度低，車輪制動功率低，車輪達(dá)到的最高溫度更低。

(a) 不同制動限速；(b) 溫度隨里程變化

4 結(jié)論

1) 提出了列車長大下坡道周期性制動下熱流密度和對流系數(shù)的計算方法，利用ANSYS軟件建立二維車輪“運(yùn)動?溫度”有限元分析模型，與已有研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比表明模型能夠較好地反映車輪溫升情況，驗(yàn)證了模型的有效性。

2) 車輪最高溫度與坡道值和電制動力失效的機(jī)車臺數(shù)呈正相關(guān)。HXD2雙機(jī)牽引5 000 t級貨運(yùn)列車在15 km的下坡道運(yùn)行，無電制動力損失時車輪溫度不超過350 ℃；在1臺機(jī)車電制動力損失和電制動力完全損失情況下，當(dāng)坡道分別達(dá)到?23.7‰和?12.5‰后，車輪溫度會超過400 ℃。

3) 車輪最高溫度與周期性制動減壓量、制動限速呈正相關(guān)。在設(shè)定前提下，不同減壓量影響閘瓦壓力和再充風(fēng)時間，減壓量每增加10 kPa，溫度平均增加13.6 ℃；不同制動限速影響車輪制動功率和閘瓦摩擦因數(shù)，限速每降低5 km/h，溫度平均降 低16.2 ℃。

4) 針對列車運(yùn)營操縱的空氣制動過程，可通過采用小減壓量并適當(dāng)降低運(yùn)行限速來緩解車輪溫升，提高行車安全。列車在長大下坡道進(jìn)行制動操縱時，應(yīng)盡量采用電制動力對車速加以控制。當(dāng)電制動力不足而需要空氣制動補(bǔ)償時，宜采用較小的減壓量并適當(dāng)降低運(yùn)行限速，以緩解車輪溫度上升速率，降低車輪所達(dá)到的最高溫度。

[1] 馬大煒. 貨車車輪熱負(fù)荷的研究[J]. 鐵道機(jī)車車輛, 1999, 19(5): 1?4. MA Dawei. Research on wheel heat load of freight car[J]. Railway Locomotive & Car, 1999, 19(5): 1?4.

[2] Teimourimanes S, Vernersso T, Lunden R, et al. Tread braking of railway wheels-temperatures generated by a metro train[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F—Journal of Rail and Rapid Transit, 2014, 228(2): 210?221.

[3] 彭莉, 謝基龍, 鄭紅霞. 大秦線全程制動條件下貨車車輪溫度及熱應(yīng)力場的數(shù)值模擬[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報, 2007, 31(1): 37?40. PENG Li, XIE Jilong, ZHENG Hongxia. Numerical simulation of temperature and thermal stress field of wagon wheel under Omnidistance Braking in Daqin Line[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2007, 31(1): 37?40.

[4] 李蘭, 蔡國武, 郭剛. 輪軌滾動接觸和制動熱負(fù)荷耦合作用對重載車輪踏面裂紋萌生壽命的影響[J]. 中國鐵道科學(xué), 2019, 40(3): 89?96. LI Lan, CAI Guowu, GUO Gang. Coupling effect of wheel-rail rolling contact and braking thermal load on crack initiation life of heavy haul wheel tread[J]. China Railway Science, 2019, 40(3): 89?96.

[5] 侯耐. 重載貨車車輪踏面制動熱負(fù)荷研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2008. HOU Nai. Heat load analysis of heavy-haul freight car wheel for thread braking[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2008.

[6] 張金煜, 虞大聯(lián), 林鵬. 基于旋轉(zhuǎn)熱源法和均布熱源法的列車踏面制動溫度場分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2018, 54(6): 93?101. ZHANG Jinyu, YU Dalian, LIN Peng. Analysis of temperature field of train tread braking based on rotating heat source method and uniformly distributed heat source method[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(6): 93?101.

[7] 應(yīng)之丁, 李小寧, 林建平, 等. 列車車輪踏面制動溫度循環(huán)試驗(yàn)與溫度場仿真分析[J]. 中國鐵道科學(xué), 2010, 31(3): 70?75. YING Zhiding, LI Xiaoning, LIN Jianping, et al. The temperature cycle test of wheel tread braking for freight trains and the simulation analysis of the temperature field[J]. China Railway Science, 2010, 31(3): 70?75.

[8] 張樂樂, 楊強(qiáng), 譚南林, 等. 基于摩擦功率法的列車制動盤瞬態(tài)溫度場分析[J]. 中國鐵道科學(xué), 2010, 31(1): 99?104. ZHANG Lele, YANG Qiang, TAN Nanlin, et al. Analysis of the transient temperature field of train brake discs based on friction power method[J]. China Railway Science, 2010, 31(1): 99?104.

[9] 文永蓬, 周偉浩, 徐小峻, 等. 考慮熱力耦合的軌道車輪輻板參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2016, 13(10): 2042?2050. WEN Yongpeng, ZHOU Weihao, XU Xiaojun, et al. Study on parameter optimization for the rail wheel considering thermal-mechanical coupling[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(10): 2042? 2050.

[10] Walia M S, Esmaeili A, Vernersson T, et al. Thermomechanical capacity of wheel treads at stop braking — A parametric study[J]. International Journal of Fatigue, 2018, 113: 407?415.

[11] Ertz M, Knothe K. A comparison of analytical and numerical methods for the calculation of temperatures in wheel or rail contact[J]. Wear, 2002, 253: 498?508.

[12] 文永蓬, 徐小峻, 尚慧琳, 等. 考慮熱力耦合的軌道車輛車輪建模與仿真[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報, 2016, 16(5): 30?41. WEN Yongpeng, XU Xiaojun, SHANG Huilin, et al. Modeling and simulation of railway vehicle wheel considering thermo-mechanical coupling[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2016, 16(5): 30? 41.

[13] 李金良, 肖楠, 謝基龍. 重載貨車車輪踏面制動輻板熱應(yīng)力分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2012, 48(12): 133?138. LI Jinliang, XIAO Nan, XIE Jilong. Thermal stress analysis of the heavy-haul freight car’s wheel web plate under the wheel tread braking[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(12): 133?138.

[14] 李蘭, 常崇義. 基于熱—機(jī)耦合的大軸重車輪踏面制動熱負(fù)荷仿真分析[J]. 鐵道機(jī)車車輛, 2014, 34(2): 25?30. LI Lan, CHANG Chongyi. Thermal load analysis of wheel tread for heavy axle load freight car under braking conditions on the basic of thermal-mechanical coupling model[J]. Railway Locomotive & Car, 2014, 34(2): 25? 30.

[15] TB/T 1407.1—2018, 列車牽引計算[S].TB/T 1407.1—2018, Railway train traction calculation[S].

[16] 劉海東, 蘇梅, 彭宏勤, 等. 城市軌道交通列車制動問題研究[J]. 交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息, 2011, 11(6): 93? 97. LIU Haidong, SU Mei, PENG Hongqin, et al. Braking performances of urban rail trains[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 2011, 11(6): 93?97.

Analisis of wheel temperature rise of freight trains on long ramp under periodic braking

MAO Baohua1, 2, GONG Chaoqi1, ZHANG Tong1, YANG Yanqiang1

(1. Key Laboratory of Transport Industry of Big Data Application Technologies for Comprehensive Transport,Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Integrated Transportation Research Centre of China, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Periodic braking is a common operational strategy for freight trains running on the long downhill ramp, during which wheel temperature will rise due to frequent air braking, and the excessive temperature can endanger the driving safety. In order to improve the safety of train operation, considering the effect of periodic braking on heat flow density and convective heat transfer coefficient, this paper establishes a two-dimensional wheel “movement-temperature” finite element analysis model based on ANSYS software. Compared with the existing experiment results, the model is verified by carrying out numerical experiments. Under the premise of the paper’s setting, the results show that: the wheel temperature will not exceed 350 ℃ with no electric braking force loss and the wheel temperature will exceed 400 ℃ when the ramp exceeds ?23.7‰ and ?12.5‰ respectively for half and complete electric braking power loss. When the pressure reduction increases by 10 kPa, the maximum temperature of the wheel goes up by 13.6 ℃ on average, and while the braking speed limit decreases by 5 km/h, the maximum temperature of the wheel goes down by 16.2 ℃ averagely. The results can provide reference for the route design of ramp and the operation organization after electric braking failure.

freight trains; periodic braking; wheel temperature rise; train pipe pressure reduction; braking speed limit

U270

A

1672 ? 7029(2020)04 ? 0980 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190647

2019?07?17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71971021)

毛保華(1963?)，男，湖南祁陽人，教授，博士，從事城市軌道交通、運(yùn)輸組織理論與方法及綜合交通發(fā)展理論研究；E?mail: bhmao@bjtu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)