基于ABAQUS的轮轴注油压装有限元分析

0引言

轮对作为轨道交通车辆的核心承载部件,是列车走行部重要组成之一[1—5],其生产制造与装配技术直接影响着列车的行车安全。随着列车速度的不断提高以及轴重的不断增加,轮对的可靠性越来越重要,因此对轮轴压装质量提出了更高的要求。传统冷压装工艺存在摩擦阻力大、应力过度集中显著等问题[6—9],而注油压装技术通过在接触面引入高压油膜,可有效降低装配面之间的摩擦系数并调控装配应力的分布,因此对该过程的进一步研究具有十分重要的意义。

本文通过建立轮轴注油压装轴对称有限元模型,将仿真获得的压装力曲线与实际生产加工曲线进行对比分析,验证建立的轴对称有限元模型的有效性。在此基础上建立多种工况下的有限元模型,对比分析不同配合过盈量对压装力以及轮轴配合面之间的等效应力的影响。

1轮轴压装模型建立

1.1 有限元模型

根据实际测量,结合图纸得到HXD2机车车轴轮座与轮毂的名义接触长度约为178 mm,轮座两端均有圆弧过渡,在轮毂孔内侧有一圆弧形的注油孔,其导入端有一个半径约为2 mm的90°圆角,轮座的导入端有一个长度约10 mm、角度约为1.72°的楔形倒角。由于注油孔相对轮毂的长度较小,对有限元模型的计算结果影响微乎其微[10],因此在不影响计算精度的前提下,为缩短模型计算时间,建立轴对称有限元模型模拟注油压装过程,如图1所示。

为了更加准确地反映轮轴接触部位的接触状态与应力变化,在建立模型时将其作用接触面网格细化,接触单元约为1 mm,通过控制轮毂与车轴接触面之间的相对位移变化来模拟其压装的过程,其中将车轮轮毂的右侧端部完全固定以约束其各个方向的自由度;在车轴左端施加位移条件使轮座移动到指定位置,完成压装过程。

1.2压装参数的选取

由于工艺的特殊性,在进行压装时要求压入的位置一次性准确无误,并且车轮与车轴的相对位置不能随意变动,故对压装过程的进给速度要求极为严格。通过对大量试验结果进行统计分析,车轴的进给速度控制在0.5~2 mm/s时,压装合格率得以保证,本文选取的速度为1 mm/s。轮轴作用接触面之间的摩擦阻力系数根据大量实际加工数据统计得出,注油压装过程在达到注油孔之前视为冷压装过程,其摩擦阻力系数为0.097;通过注油孔之后为注油压装,其摩擦阻力系数为0.066。压装过程通过两个接触面的相对滑移模拟,接触计算方法采用罚函数法。

2模型准确性分析

以过盈量为0.30 mm、压装速度为1 mm/s的模型为例模拟注油压装过程,得到如图2所示的压装力曲线图。从图中可得出,在压装初始阶段,轮座与轮毂刚刚接触时相当于撞击的过程,压装力迅速上升,随着车轴的压入,当轮座与轮毂接触平稳后,压装力随着车轴的进给逐渐平稳上升。由于轮座与油槽孔内表面不接触,当车轴上的接触点运动到油槽位置时,压装力并不增加,则会出现如图3所示的台阶,压装至油槽右端开始注油,压装力逐渐减小,直到压装过程完成。

图3为实际轮轴压装过程压装力曲线图,对比图2与图3可得,采用有限元方法模拟得到的压装力曲线与实际加工的测量结果基本吻合,从而验证了轮轴注油压装过程有限元模型与其仿真结果的有效性。

3 计算结果分析

轮对的压装质量与其使用寿命有着密切关联,其压装过程受多种因素的制约。为了分析研究过盈量对压装过程的影响,根据不同的参考标准选取过盈量的大小,如表1所示。

3.1压装力分析

图4为在以不同参考标准的过盈量压装时,压装力随着车轴移动的变化曲线。分析图4可得,不同过盈量压装时所得到的压装力曲线变化趋势基本一致,最大压装力随轮轴间过盈量的增加而增大。在轮轴压装过程中,由于开始轮座与轮毂之间不接触,压装力为0,随着轮座的压入,初始接触相当于碰撞的过程,压装力迅速上升,当接触平稳后,压装力随着压装位移的增加逐渐增大,通过油槽后,喷入的油液存在一定的压强,且接触面之间摩擦系数减小,所以随着位移的增加,轮轴间的压装力逐渐减小,最后均减小至0,直到压装结束。

不同过盈量压装时,轮轴间的压装力存在一定的差异,随着过盈量的增加,在注油之前冷压装阶段的最大压装力逐渐增大,在通过注油孔后压装力逐渐降低的过程中,随着过盈量的增加,轮轴间压装力减小为0有延后的趋势。

在轮轴压装过程中,压装力与最大等效应力都是在不断变化的。虽然压装力曲线是评价压装质量的唯一标准,但在轮轴压装过程中的表面拉伤、疲劳裂纹、微动损伤等问题与轮轴间的等效应力有直接关系。表2为不同过盈量在不同位移下的等效应力值,在轮轴压装时,由于轮座的压入端有一个角度为1.72°、长10 mm的倒角,所以在压装初始阶段轮轴是不接触的,因此初始状态的等效应力均为0;当车轴经过一段位移后轮轴开始接触,等效应力随之发生变化。

注油压装过程中,当车轴从轮轴接触位置移动至油槽左侧时为冷压装阶段,等效应力先减小后增大,主要原因在于由于轮轴刚接触时相当于撞击的过程,此过程造成的形变导致轮轴间的过盈量减小,等效应力降低,随着形变的逐渐恢复,轮轴与轮毂间的过盈量也随之恢复,等效应力值则会随着位移的增加而逐渐增大。

当轮座通过油槽后与油槽右侧接触时,又相当于一个新的接触,仍为一个撞击的过程,所以在此位置等效应力值较大,而后等效应力随着位移的增加,又出现先减小后增大的变化趋势,其变化原因与冷压装阶段等效应力的变化原因相一致。

3.2 等效应力分析

为了更加直观地反映出轮轴压装过程中最大等效应力随位移增加时的变化趋势,记录车轴每移动1 mm时的等效应力值,并输出曲线,图5为不同过盈量注油压装过程中等效应力随位移的变化趋势。分析可得,不同过盈量注油压装时等效应力曲线变化趋势基本一致,在注油压装过程中移动到注油孔之前没有注油,摩擦系数不变,此阶段仍为冷压装过程,等效应力曲线的变化趋势与冷压装基本相同。在压装初始阶段,轴座与轮毂刚接触时出现较大的等效应力,轮轴发生形变,形变导致轮轴间的过盈量降低,使得等效应力迅速减小,随后轮轴间形变量逐渐恢复,等效应力随位移的增加逐渐增大,当车轴与轮毂油槽一侧接触时,开始接触位置为轮座压入端10mm的倒角,过盈量减小,导致在油槽处出现应力下降。通过油槽后,由于注油的原因车轴与轮毂之间的摩擦系数减小,在通过注油孔后轮轴间的应力有下降的趋势,随着车轴逐渐压入,当10 mm的倒角完全通过油槽后,由于接触面之间的过盈量增加,在此位置出现碰撞,应力增加,当接触平稳后,轮轴间应力恢复。随后,等效应力值迅速下降,其原因在于油槽注油后使得轮轴间的摩擦系数减小,应力下降较快。在压装位移的末端,出现较小的应力回升。

从图5可看出在压装过程中有两个位置出现等效应力的激增,分别为车轴导入端及通过油槽后,该两处接触位置均有型面的突变,导致产生应力集中。图6(a)~(d)为过盈量为0.35 mm压装时车轴运动到轮轴初始接触位置、油槽两端以及压装结束四个位置的等效应力云图。由图6(a)可知,在车轴与车轮刚接触时,车轴需克服轮轴间过盈量造成的阻力,因此在初始接触位置表面会出现较大的等效应力,为1 472 Mpa;当车轴移动到油槽一侧时,由于此处型面将发生突变,应力将集中在油槽的一侧,同理当车轴过渡到油槽的另一侧时,应力将集中在油槽的另一侧,等效应力值分别为745.9、1 027 Mpa,如图6(b)和(c)所示。压装结束时,最大等效应力为506.6 Mpa,出现在轮毂孔与轮座接触的末端。

不同过盈量压装结束后轮轴间的等效应力分布基本相同。本文以过盈量0.35 mm为例分析压装过程结束后轮轴间的应力分布,其等效应力分布云图如图7所示,从图中可清晰看出,注油压装完成时轮轴间应力主要集中在轮毂表面,尤其是当车轴通过油槽后轮毂表面的应力随着位移的增加而逐渐增加,而车轴上的应力主要集中在其内部,且由内向外逐渐减小。图8为轮轴注油压装完成后,车轮与车轴表面的应力分布图。图9为压装完成时轮毂与轮座等效应力变化曲线图,分析可得注油压装使得车轴的等效应力主要集中在其内部,表面无应力集中现象。而车轮的应力集中范围较大,整个轮毂表面应力值均较大,与轮毂表面等效应力相比,轮座表面的等效应力较小。由此分析可得,注油压装过程车轮轮毂表面出现裂纹的可能性较大,在压装完成以及使用过程中检测时应该着重关注这些应力集中的部位。

4结论

1)综合随车轴进给的等效应力变化以及压装完成后轮轴间的等效应力分布状态两种应力分析,轮座与轮毂表面的应力集中位置相同,与轮座应力相比较,轮毂表面的应力更大,最大应力集中在注油孔两端,应力集中与注油孔两端的结构有关,建议在其两端设计1mm圆弧倒角过渡,以减小过大的应力集中。

2)轮轴注油压装过程中产生应力集中的部位主要为轮座与轮毂初始接触位置以及注油孔两端,应力集中易出现表面拉伤、微动损伤甚至裂纹等严重缺陷,在轮轴探伤时应加以关注。

3)轮轴注油压装完成后,轮毂外表面存在显著的残余应力,建议在探伤时对接触表面进行完整性与有效性检测。

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《机电信息》2025年第23期第2篇