关键词 转向架 锥度车轴轮对 压装曲线
1问题的提出
目前，部分轨道交通车辆在运营维护过程中为便于更换车轮及降低车轴损伤率，提出车轴轮座、车轮轮毂孔须采用锥度配合的冷压装组装。锥度车轴轮对压装技术标准依托于《EN 13260 铁路应用-轮对与转向架-轮对-产品要求》及《UIC 813 为动车和拖车提供轮对的技术说明--公差和组装》。基于国内普速客车以及高速动车组转向架等干线铁路客车轮对成熟、完备的轮对冷压装制造工艺技术，以及理论计算压装力及压装速度等参数，进行理论探讨。
2工艺性分析
2.1锥度车轴加工与检测
锥度车轴压装以轮对冷压工艺为基础，采取基轴制，先计算得出满足要求过盈量，选配确认车轮内孔直径与车轴轮座直径后，均匀涂抹润滑介质，用压力机一一对应进行压装。检测、选配、压装时应使轮轴处于同一温度下进行，压装后压装曲线是唯一的检验依据。
锥度车轴压装的关键因素是过盈量的选取，其决定压装曲线走势。过盈量的选取要保证提供足够的配合力，使轮对在运用中不发生相对运动，保证运行的安全。故尺寸范围内，选取合适的过盈量进行车轴单件加工、检测，是首先需要解决的问题。加工1:300锥度轮座无技术难点，加工前进行砂轮修型后，参照既有工艺可完成轮座精磨削加工。首件加工时，为验证工艺性及摸索锥度过盈配合趋势，过盈量按照车轴轮座大端直径Φ205.31mm进行选取，锥度1：300进行磨削，车轮为供成品，后续选配过盈量为0.305mm。后续验证和有限元分析模拟均表明，上述参数选取较为合理。鉴于首件工艺验证，故加工完毕后选取三坐标方法进行锥度检测，批量生产过程中可采用锥度塞规的方式进行研磨检测。
2.2有限元分析模拟
参考部分文献资料【1】，基于有限元分析软件，针对轮对的过盈装配进行仿真计算，及利用有限元方法对机车轮对的压装过程的有限元模拟表明，通过计算机有限元分析软件，可较为真实的模拟轮对压装过程中的Mises应力分布情况，并得出参考压装曲线。选用有限元分析软件ABAQUS建立有限元分析模型，通过比对模拟压装曲线和试验压装曲线，验证计算模型是否准确。以此为理论依据，通过对轮对等效应力，发现轨道车辆轮对压装过程中的应力变化过程和特点。
2.3车轴压装力
压装力是判断轮对装配合格的重要因素，它抑制轮对承载时，车轴扭曲形成的轮座与轮毂孔间相对运动。相关试验研究证明【2】, 在其以过盈方式组装中, 当扭转力超过压装力的0.6% 时, 即会产生微动, 两接触界面间会出现波浪形不规则起伏, 从而有摩擦力产生，导致车轴与车轮之间的配合面出现微损伤趋势。在轮对高速行进中, 由于微动磨损, 车轮与车轴接触区金属表层会产生母材组织剥离，导致摩擦系数不规则变化。根据所选用车轮及车轴材质理化特性，在常规温度、湿度环境下，其尺寸变化并不明显，故本文研究过程中，不考虑环境因素对车轴受力的影响。车轮高速转动对车轮引起离心力, 会有加剧车轴与车轮分离，故选取轮座作为车轴损伤典型事例进行分析。
2.4问题分析
2.4.1几何模型
车轴车轮压装为大变形量的过盈配合，需考虑几何非线性的影响。模型具有轴对称性，所以可以采取轴对称模型来进行分析，这样可以节省计算时间。由于车轮上加工有轮盘安装的定位销孔和螺栓紧固安装孔，并轮毂上加工有注油孔和回油槽，因此车轮非轴对称结构。但由于上述结构对过盈装配过程的影响极小，因此在模拟建模时去除上述结构，简化非接触区结构。
2.4.2材料属性
在轮对组装过程中，车轴轮座表面和车轮轮毂内表面发生配合作用力，可分解为法向的相互作用力和切向的摩擦力，接触表面部分材料经历典型弹塑性变形，故ABAQUS模拟分析需给出弹塑性属性。车轴材质选用低碳合金钢牌号EA4T，车轮为热作模具钢ER9，根据机械设计手册，上述材料选取弹性模量210GPa，泊松比为0.28。由于缺少上述材料的压缩和拉伸的形变数据，故假设车轴、车轮配合过程的弹塑性近似为理想状态。
2.4.3接触与摩擦
车轴、车轮装配过程中，采用数控轮对压装机进行试验。共有4组表面发生接触和摩擦，即车轴轮座锥面和车轮轮毂内表面，压装机夹持台固定车轴接触面，压装机另一侧挡铁和车轴非压装侧端面，以及压装机压头端面通过导套工装与车轮轮毂孔外侧端面。因分析车轴轮座与车轮轮毂孔两个锥面配合，故建模分析时仅考虑这对配合接触和摩擦，其他接触摩擦假定立项状态，摩擦因数设为零，将车轴两端视为自由端。ABAQUS分析中的摩擦公式设为库伦摩擦，由于缺乏摩擦因数的试验数据，故假定为0.12。
2.4.4网格划分
ABAQUS网格划分提供两种形式，一为接触划分，另一种为部件划分。前文提到为简化计算，模型创建时选用轴侧建模法，此处网格划分仅对接触位置实施边缘布置种子，对结合表面采用均匀网格划分法，设定单元长度为1mm，选取二维轴对称线性四边形减缩积分单元CAX4I进行分析。
2.4.5等效应力分析
通过ABAQUS模拟仿真计算，锥度车轴、车轮配合过程中，车轮进入车轴装配面越过车轮注油槽后才产生等效应力变化，即车轮仅受重力影响下，可手动推至车轴轮座约1/2位置处，这与生产工艺验证实际情况相符，可见ABAQUS建模正确性。另通过压装起始阶段等效应力图可发现，锥度车轴车轮装配时，起始应力突变状态较为缓和，无突变集中点，是锥度车轴车轮压装装配优势，最终应力集中点集中于压装终止时刻的车轮边缘，可大限度地降低轮对压装和注油退卸过程中戗轴风险。
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图2 锥度车轴车轮配合终止Mises等效应力
车轴车轮的压装引入段塑性变形阶段不明显，且历程较短，等效 应力仅按一次最大值，随着车轮进一步被压入，车轴轮座表面并没有应力聚变，塑性变形区域随着压装过程迅速增加，应力逐渐下降，并在210--300MPa之间，最终应力集中在接触部位的端点。
3结论
针对锥度车轴车轮压装过程，基于ABAQUS有限元仿真原件，建立的轮对压装模型，通过仿真过程与实际工艺试验的比对，验证了模型的正确性，为锥度压装工艺建立理论基础，并通过模拟得出的等效应力变化，可有效识别出压装过程的风险点，为轮对组装工艺开发提供新的手段。
在既有轮对压装工艺的基础上，开发完成的锥度车轴车轮压装工艺，为后续非锥度配合轮对压装参数优化提供途径，在分析以往结构车轴车轮压装过程中，在满足尺寸要求的前提下，最大消除压装起始阶段的应力聚变是后续改进工作的方向和重点。
参考文献
（1）张金煜，代卧龙，姜道龙，王小峰.高速动车组轮对压装过程的仿真与分析.《机械设计》.2014年第4期
（2）THOMASL·L ANGLE. 锥度配合的受力分析和验算 Machine Design. 1983 Vol 15
（3）岳立峰，窦光旭. 轮对压装工艺分析. 《机车车辆工艺》.2005年03期
论文作者:刘磊,王明萌
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第19期
论文发表时间:2020/3/16
标签：车轴论文; 锥度论文; 车轮论文; 应力论文; 过程中论文; 轮毂论文; 工艺论文; 《科学与技术》2019年第19期论文;