张国欣，王宏宇，万德宏，李林杰

（中车齐齐哈尔车辆有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002）

基于Abaqus的惯性轮热装仿真分析

张国欣，王宏宇，万德宏，李林杰

（中车齐齐哈尔车辆有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002）

根据热胀冷缩原理，给出热装间隙与孔件升高温度和轴件降低温度函数关系公式。依据热应力分析理论，以Abaqus软件为平台，通过有限元方法，研究了惯性轮轮心和轮轴间隙随温度变化情况。仿真结果表明，在轮轴温度场由20℃降至0℃，轮心温度场由20℃升至300℃，单边间隙量由-0.09mm变化至0.427mm，与理论值相吻合，为热装方法研究提供了参考。

热组装；惯性轮；Abaqus；仿真分析

转向架综合性能试验台主要测试铁路货车转向架制动性能和滚动性能。惯性轮装置是该试验台的重要组成部分，其作用是将货车的直线运动动能转化为转动动能。惯性轮主要由轮轴和轮心组成（图1），因不同车型在不同运输条件下动能大小不同，因此惯性轮装置设计了可拆卸轮环，通过改变惯性轮质量，调整惯性轮转动惯量，配合不同转速，达到不同转向架不同工况下试验的能量需求。

轮轴和轮心组装是惯性轮组装制造重要环节，轴孔采用ø265H7/s6过盈配合，最大过盈量约0.18mm，轮轴表面不允许有划伤。热装工艺研究目前主要集中在包容件的加热问题上，本文考虑同时将孔件升温和轴件降温，利用Abaqus软件来分析大规模多组件模型的热学问题[1-2]。

图1 惯性轮主要结构

1 热装工艺

热装主要根据热胀冷缩原理，通过让孔胀大或让轴缩小使其轻松装配到位，恢复到室温时，轴孔恢复到原有尺寸，以达到配合效果[3]。对于热装，根据配合直径，可得到热装所需间隙Δ为：

式中：d——配合直径，mm，取值265mm。

热装所需间隙Δ与孔件升高温度t1、轴件降低温度t2函数关系式为：

式中：δ——实测最大过盈量，mm，为安全起见，取最大过盈量0.18mm；

k1——孔件材料线膨胀系数，轮心材质45钢；

k2——轴件材料线膨胀系数，轮轴材料40Cr，参照表1取值；

t0——环境温度20℃；

t1、t2——可根据加热制冷方法适当选取。大型零件吊装对位困难，装配过程时间较长，考虑此过程中的温度损失，实际温度在t1、t2基础上对应增加降低10℃～30℃。

2 仿真分析

2.1 热应力物理方程

若物体内部存在温差分布 ΔT（x，y，z），因温差引起的热膨胀量为 αTΔT（x，y，z），αT为热膨胀系数，物体的物理方程由于引入了热膨胀量，将变为[4]：

式（3）中的指数形式为：

或者

其中：

2.2 网格及材料属性

利用Abaqus软件，考虑温度场作用，建立仿真模型。该模型由两个构件组成，轮轴材质40Cr，轮心材料45钢，材料属性如表1所示。由于该零件几何、边界约束及载荷均为轴对称，因此选回轮轴、轮心的回转体截面进行网格划分[5]，共得到CAX4R网格19137个，节点19850个，如图2所示。

表1 40Cr/45钢材料属性

图2 网格划分

2.3 边界载荷及分析步

对于惯性轮，可忽略所受重力影响，设置边界条件[6-8]。建立1个通用静力学分析步骤，时间为1s。在系统默认初始分析步中给轮轴、轮心分别创建初始温度场，大小为20℃，在通用静力学分析步将轮轴温度场定义为0℃，将轮芯温度场定义为300℃，表明在1s内，轮轴的温度由20℃改变为0℃，同时轮心由20℃改变为300℃。分别选取轮轴外表面和轮心内表面上的结点的径向位移作为历史历程输出，并以此检测其单边间隙量。

3 结果与验证

3.1 仿真结果

建立相应作业并求解，经过1个增量步和1次迭代，该分析达到了收敛。为了清楚显示变形情况，将变形显示比例缩放至30倍，应力应变结果如图3、4所示。由图可知，惯性轮的最大应力为4.042×10-11MPa，最大应变为3.468mm，最小应变为4.463×10-4mm。

图3 应力

图4 应变

图5 单边间隙随温度变化曲线

轴孔单边间隙随温度变化曲线如图5所示，其中实线由仿真得到，虚线由理论公式计算得出。在轮轴温度场由20℃降至0℃，轮心温度场由20℃升至300℃时，仿真得到单边间隙量由-0.09mm变化至0.427mm，理论计算得出单边间隙量由-0.09mm变化至0.465mm，二者相吻合。

3.2 生产应用

根据公式（1），Δ取值0.53mm，从图5仿真曲线上得到对应轮心温度t1=212.236℃，轮轴温度t2=6.269℃。带入公式（2）得到Δ理论值为0.58mm。考虑整个生产过程中温度消耗，轮心温度加热到230℃，轮轴放置室外自然降温，保证其温度在组装时处于0℃以下，制造专用工装将轮轴竖立放置，水平吊装轮心并调整位置直至组装完成。通过该工艺方法，顺利完成4对轮轴、轮心组装，依据GB15822标准进行磁粉探伤，轮轴表面无任何缺陷，表明该方法切实有效，从而证明了理论公式、仿真结果的有效性。组装后实物图如图6所示。

图6 装配图

4 结论

根据热胀冷缩原理，推导得到热装间隙与孔件加热温度、轴件冷却温度之间的函数关系。以Abaqus软件为平台，根据惯性轮几何与边界特点，采用CAX4R单元类型和中心对称方法，得到轴孔单边间隙随温度变化曲线。当轮轴由20℃降为0℃，轮心由20℃升为300℃时，仿真结果表明，单边间隙量由-0.09mm变化至0.427mm，理论计算结果单边间隙量由-0.09mm变化至0.465mm，二者吻合。

对于大尺寸轴孔类产品过盈组装，可采用孔件升温、轴件降温的方式，通过理论计算和仿真分析相结合，确定合理的热装温度和工艺方案。从实际应用结果来看，该方法切实有效，对轴孔类产品热组装制造研究具有重要的参考意义。

[1]卢黎明，秦豫江.运用ABAQUS的滚滑轴承动态特性有限元分析[J].现代制造工程，2015，（5）：7-11.

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Simulation analysis of hot charging for inertia wheel based on ABAQUS

ZHANG Guoxin,WANG Hongyu,WAN Dehong,LI Linjie
（CRRC Qiqihar Rolling Stock Co.,Ltd.,Qiqihar 161002,Heilongjiang China）

The function relation formula of hot charging gap and heating temperature of hole part&cooling temperature of axial member has been put forward according to the principle of thermal expansion.The changing situation of inertia wheel center and axle gap with change of temperature has been studied on the basis of Abaqus software platform and thermal stress theory by use of finite element method.The simulation results show that the single side gap value has been changed from-0.09mm to 0.427mm when wheel axle temperature field changes from 20℃ down to 0℃ and the wheel center changes from 20℃ up to 300℃.The result matches with the theoretical value,which provides reference for hot charging method research.

Inertia wheel;Abaqus;Hot charging;Simulation analysis

TP391.9

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.012

1672-0121（2017）03-0049-03

2016-12-06；

2017-02-14

齐齐哈尔市科技局工业攻关资助项目（GYGG-201207）

张国欣（1972-），男，工程师，从事模具设计及制造工艺研究

李林杰（1987-），男，硕士。E-mail：lilinjie1987@126.com