基于Marc的輪軌溫度場仿真分析

王棟，劉亮亮，石瑩

（1.大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連116013；2.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧272073；3.大連交通大學，遼寧 大連 116000）

0 引言

隨著列車速度的不斷提高，人們對于它的安全性、平穩性及舒適性也有了更高的要求。鐵路的發展不僅僅體現在速度上，承載能力也是另一種發展形勢。在發展過程中，由于速度和承載能力的提高，列車的輪軌經常發生破壞，在列車輪軌的破壞形式中，熱損傷時常發生，這是由于在一定時間內，列車的制動力和牽引力高于許用值[1]。軌道和車輪之間產生的摩擦熱不僅會對輪軌造成多種形式的損壞，所產生的噪聲污染還對列車的舒適性及人類的生活產生很大影響[2]。

國內外的學者對輪軌研究過程中，列車的車輪和軌道的接觸問題是其中的要點，當列車運行時，車輪和軌道之間的接觸狀態不斷發生著變化，并且輪軌的傳動方式本身就是比較復雜的動力學變化，所以在對輪軌材料的摩擦學性能進行研究時，需要對多種工況下的輪軌接觸狀態進行研究才能使研究結果更加精準[3]。近些年來，數值仿真技術快速發展，為許多非線性問題的研究提供了便利。

本文從實驗研究和數值仿真分析兩部分入手，分析載荷、速度和摩擦因數對于輪軌溫度場的影響。對比仿真值和實驗值，驗證有限元仿真分析方法解決復雜非線性摩擦學問題的可行性。

1 輪軌摩擦磨損實驗

1.1 試驗過程

輪軌摩擦磨損實驗使用MRH-5A高速環塊磨損試驗機進行實驗，因為輪軌摩擦試驗存在較大的難度，所以根據輪軌的材料，使用環-塊摩擦的方式進行摩擦磨損試驗來代替車輪與軌道摩擦副的運動方式。

在試驗中試件塊和試件環接觸，保證塊不動而環相對試驗塊做圓周運動，利用傳感器對環-塊接觸表面之間的溫度、載荷大小、摩擦因數及相對滑動速度等參數進行檢測，最后由電腦來輸出數據。對于試驗中試件的溫度變化，利用熱電偶傳感器來測量溫度的變化規律，試驗的工作原理圖如圖1所示。

試件塊采用軌道的常用材料CL65 (珠光體組織)。為了考慮材料的因素，因此環試件采用2種不同的車輪材料，分別為AB1(貝氏體組織)和U75V(珠光體組織)。

在試驗中，通過設定不同載荷和相對滑動速度，利用摩擦磨損試驗獲得不同工況下的摩擦因數。設置載荷大小為100、150、200 N，對于環形試件設置它的速度為180、240、300 r/min，根據3種載荷及3種相對滑動速度的組合進行實驗，將時間設定為180 s，試驗環境溫度設定為20℃。由于本次試驗采用干摩擦的方式，不添加潤滑油，因此試驗前需要用石油醚溶液除去試件表面的雜質。然后利用HR-05超強激光焊機，將熱電偶焊接在試塊的底面上來測量溫度。試驗的連接方式如圖2所示。

圖1 工作原理圖

1.2 試驗摩擦因數

在試驗結束后，利用試驗機自身的測控軟件可以得到輪軌摩擦磨損的摩擦因數值和摩擦因數的變化曲線，圖3是法向載荷為100 N、轉速為240 r/min時的摩擦因數變化曲線，其它工況下的摩擦因數變化曲線參照圖3。

圖3 100 N、240 r/min 時的摩擦因數曲線圖

圖2 實驗儀器連接

由圖3可以看出，摩擦因數是在某一個范圍內上下波動的，但整體相對平穩。由于在輪軌摩擦的過程中會出現黏著現象和相對滑動現象，因此摩擦因數會出現上述現象。在進行不同工況的實驗中，使用測控軟件計算各工況的平均摩擦因數，視平均摩擦因數為該工況下的摩擦因數。表1、表2分別為試件塊材料為AB1和U75V時各個不同工況下的摩擦因數值。

表1 試件塊材料為AB1時不同工況的摩擦因數

表2 試件塊材料為U75V時不同工況的摩擦因數

1.3 實驗結果

實驗結束后，使用高速溫度采集器可以得到各個工況下的溫度變化情況及數據。圖4是試件環材料為U75V、轉速為300 r/min、法向載荷為200 N時的溫度變化規律，而圖5是試件環材料為AB1、轉速為240 r/min、載荷為200 N時的溫度變化規律。

圖4 材料U75V 在200 N、300 r/min 時的溫度變化

圖5 材料AB1 在200 N、240 r/min 時的溫度變化

由于本次實驗的數據較多，因此對各個工況下的數據進行整理，每隔1.8 s處理一次數據并取平均值，去掉干擾值，可以得到該時刻下的溫度值。將數據進行處理后，對比分析不同材料、不同載荷及不同速度下的實驗數據。

當試件塊材料為CL65，試件環材料為AB1時：

1）分析載荷為100、150、200 N時不同轉速對溫度場的影響，如圖6～圖8所示。

圖6 載荷100 N 時轉速對溫度的影響

圖7 載荷150 N 時轉速對溫度的影響

圖8 載荷200 N 時轉速對溫度的影響

2）分析轉速為180、240、300 r/min時不同載荷對溫度場的影響，如圖9～圖11所示。

圖9 轉速180 r/min 時載荷對溫度的影響

圖10 轉速240 r/min 時載荷對溫度的影響

圖11 轉速300 r/min 時載荷對溫度的影響

當試件塊材料為CL65，試件環材料為U75V時：

1）分析載荷為100、150、200 N時不同轉速對溫度場的影響，如圖12～圖14所示。

圖12 載荷100 N 時轉速對溫度的影響

2）分析轉速為180、240、300 r/min時，不同載荷對溫度場的影響，如圖15～圖17所示。

從圖中可以得到，當載荷一定時，溫度幅值隨轉速的增大而增大，溫度變化的速度也隨轉速的變大而變快；當轉速一定，溫度幅值隨載荷的增大而增大，溫度變化的速度也隨載荷的變大而變快。

圖13 載荷150 N 時轉速對溫度的影響

圖14 載荷200 N 時轉速對溫度的影響

圖15 轉速180 r/min 時載荷對溫度的影響

圖16 轉速240 r/min 時載荷對溫度的影響

圖17 轉速300 r/min 時載荷對溫度的影響

2 仿真分析

仿真分析使用的是非線性有限元軟件MSC.MARC。環-塊試件的結構簡單，可以直接用MSC.MENTAT進行前處理建模、劃分網格(對塊試件的接觸區進行網格細劃分)、對材料屬性進行定義。結合摩擦磨損實驗材料要求：上試件塊采用軌道所用材料(珠光體組織)；下試件環采用車輪材料，分別為AB1(貝氏體組織)和U75V(珠光體組織)。

依照所選用的輪軌材料摩擦副的幾何參數創建的模型如圖18所示，其中共包括1800個單元和2640個節點；建立完成的上試件塊的三維有限元模型如圖19所示，其中共包括34 360個單元和41 025個節點.

圖18 接觸方式示意圖

圖19 接觸方式示意圖

2.1 摩擦熱流量和對流換熱系數

輪軌接觸過程中，伴隨著相對滑動，接觸表面會互相擠壓，從而會產生摩擦熱。這個情況會導致溫度升高，因此在分析過程中需要考慮摩擦熱所產生的溫度場并確定環-塊的摩擦熱流量。環-塊摩擦磨損實驗過程中，試件塊被實驗臺夾具固定，則試件塊的四周和空氣之間的換熱情況是自然換熱。根據以往經驗，把對流換熱系數設定為0.12 W/（mm2·K）。有限元軟件MARC中，設置的摩擦熱流量和對流換熱系數如圖20、圖21所示，不同工況下的摩擦熱流量是不同的，環境溫度與實驗的環境溫度保持一致，設定為20 ℃。

圖20 摩擦熱流量設定

環塊摩擦磨損實驗之中，根據輪軌材料做成的摩擦副的接觸方式是線接觸，如圖22所示。

在仿真過程中，需要對試件塊模型相應的單元進行接觸設定。例如當試件塊(CL65)與下試件環(AB1)之間的法向載荷為100 N時，接觸單元示意如圖23所示。

圖21 對流換熱系數設定

圖22 接觸方式示意圖

圖23 接觸單元示意圖

2.2 仿真結果分析

依照輪軌材料摩擦磨損實驗時間，在仿真模擬中把塊模型的仿真時間設為180 s，仿真模擬步數設成100，每次仿真實驗結束后，通過后處理將實驗數據記錄并保存，用于與在相同工況下的輪軌材料摩擦磨損實驗結果相對比。

在本次摩擦磨損實驗中，下試件環的溫度不易測出，主要將上試件塊溫度的實驗值與仿真值相對比，所以對于環模型的仿真實驗來說，在這里只展示環模型旋轉一周的溫度場云圖變化，則將環模型的仿真實驗時間根據轉速來設定，即：當轉速為180 r/min時，將仿真實驗時間設定為0.33 s；當轉速為240 r/min時，將仿真實驗時間設定為0.25 s；當轉速為300 r/min時，將仿真實驗時間設定為0.2 s；根據環模型的網格劃分情況，將步數設定為60，從而進行環模型的仿真實驗。

當試件塊材料為CL65，試件環材料為AB1時：

1）當載荷為150 N、轉速為180 r/min時，環模型旋轉一周的溫度場云圖如圖24所示，并且取環模型中編號為1445的節點來分析溫度變化情況。相同工況下，塊模型的溫度場云圖如圖25所示。

2）當載荷為150 N、轉速為420 r/min時，塊模型的溫度場云圖如圖26所示。

當試件塊材料為CL65，試件環材料為CL65時：

圖24 試件環溫度場

圖25 試件塊溫度場云圖

圖26 試件塊溫度場云圖

圖27 試件環溫度場云圖

圖28 試件塊溫度場云圖

圖29 試件塊溫度場云圖

圖30 試件塊溫度場云圖

1）當載荷為200 N、轉速為240 r/min時，環模型旋轉一周的溫度場云圖如圖27所示，并且取環模型中編號為1402的節點來分析溫度變化情況。相同工況下，塊模型的溫度場云圖如圖28所示。

2）當載荷為150 N、轉速為360 r/min時，塊模型的溫度場云圖如圖29所示。

3）當載荷為300 N、轉速為300 r/min時，塊模型的溫度場云圖如圖30所示。

從圖中可以看出，環模型的溫度場為瞬態溫度場，相對于摩擦磨損實驗中下試件環的旋轉方向，仿真模擬得出的溫度場云圖的變化與其吻合；在與塊模型瞬間接觸摩擦時，接觸面中心溫度最高，向四周慢慢減小，這是由于離接觸面越遠，所受到的摩擦熱影響越弱，因此溫度會慢慢降低。

塊模型的溫度由摩擦接觸面向模型四周逐漸擴散，接觸面溫度最高，隨著與摩擦接觸面距離變遠，溫度值逐漸減小，這是由于中心接觸面受到摩擦熱的影響強導致。

3 仿真實驗對比分析

根據摩擦磨損實驗，通過熱電偶在上試件塊底面焊接的位置，確定仿真模型中對應的節點，用仿真軟件中的測量工具進行測量，并確定節點編號為4885。使用MARC軟件中的后處理功能，保存節點在不同工況下的溫度值。對比相同工況的實驗值和仿真值。

環模型 (AB1) 與塊模型(CL65)在不同工況下的仿真值和實驗值的對比如圖31所示。

將得到的數值進行整理，如表3所示。

環模型 (U75V) 與塊模型(CL65)在不同工況下的仿真值和實驗值的對比如圖32所示。

將對比值進行整理，如表4所示。

通過以上對比值可以得出，在不同工況下，仿真溫升值與實驗溫升值大小很接近，誤差均在5%以內，從而證明了環-塊摩擦副仿真模型的正確性，驗證了有限元仿真分析方法解決復雜非線性摩擦學問題的可行性，為輪軌材料溫度場分析提供了摩擦學理論依據；當相同材料環與試件塊摩擦并且載荷相同時，溫升值隨著轉速的增加而增大；當相同材料環與試件塊摩擦并且轉速相同時，溫升值隨著載荷的增加而增加。

圖31 仿真實驗對比圖

表3 實驗值和仿真值對比

圖32 仿真實驗對比圖

表4 仿真值和理論值對比

4 結論

1）將輪軌材料CL65(軌道材料)、AB1(車輪材料)及U75V(車輪材料)設定為實驗對象，制成環-塊摩擦副，利用MRH-5A環塊磨損實驗機進行環-塊磨損實驗，考慮到材料性能、接觸面所受載荷、相對滑動速度及摩擦因數的影響，得出了不同材料在不同工況下對磨產生的溫度變化值及變化曲線圖。

2）將從實驗樣機上讀取出的摩擦因數對比后得知，當相同材料在相同轉速下對磨時，摩擦因數隨接觸面正壓力的增大而增大。

3）通過摩擦磨損實驗得到實驗值，利用有限元軟件MARC對環-塊仿真模型進行仿真分析，比較仿真模型的溫升值與實驗溫升值，得到的誤差在5%以內，證明有限元仿真分析方法是可以解決復雜非線性摩擦學問題的，為輪軌材料溫度場分析提供了摩擦學理論依據。

本文對輪軌材料摩擦時的溫度進行了實驗值與仿真值的對比，其中有很多方面需要進一步的研究：本文采用的摩擦因數是根據實驗樣機讀取出來的，針對的材料是CL65(軌道材料)、AB1(車輪材料)及U75V(車輪材料)，具有一定的局限性，對于研究輪軌材料的溫度場變化情況還需要對更多的摩擦副材料進行仿真實驗，選擇合適的實驗條件。