摘 要：本文研究了25吨轴重的重载货车在紧急制动条件下车轮的瞬态温度和应力变化情况，建立了HESA型货车车轮的三维有限元模型，分析了货车车轮的温度场和应力场。通过踏面部分加载热流密度，整体车轮加载对流换热、热辐射，得到了紧急制动过程中踏面的温度和应力的变化趋势，同时得到了车轮整体最高温度、最高应力及其各自出现的时间，为车轮的使用寿命和疲劳分析提供了理论基础。
关键词：铁路货车；紧急制动；车轮；温度场；应力场
车轮是铁路货车走行部的重要组成部件之一，它不但承受着货车的自重与载重，而且还与钢轨、闸瓦及环境介质有着非常复杂的作用，承受着极其复杂的应力和踏面制动所产生的热负荷[1-3]。随着货物列车的提速和轴重的增加，特别是25t轴重的货车车轮的服役运行和货车运行速度达到120km/h，列车的动能也会急剧上升。由此，依靠闸瓦和车轮踏面的机械摩擦来实现制动，必然在车轮踏面部位产生大量的热量，这种热载荷和机械载荷的联合作用，将使得货车车轮踏面受到较为严重的破坏[4]。因此，对于货车车轮在踏面制动情况下的温度场和应力场进行深入研究具有重要的经济价值和理论意义。
有学者曾经对货车车轮热损伤问题进行了研究，并对21t和23t轴重车轮的温度场和热应力场进行了模拟计算。王京波曾使用有限元分析软件MARC建立快速货车车轮二维有限元模型，并分别用数值方法和实验方法研究合成闸瓦对车轮的热影响[5]。刘云曾对提速货车车轮的温度场及热应力场进行了数值模拟，但其模型为二维模型，且只考虑了热传导[6]。侯耐在2011年曾对重载货车踏面制动热负荷进行了分析研究，对紧急制动工况和长大下坡道制动工况下的温度场以及热应力场进行了模拟[7]。等等。
本文从我国铁道车辆的实际情况出发， 选取了转K6转向架所使用的HESA型辗钢车轮进行建模，全面考虑了现今铁路货车不断向“高速重载”发展的趋势。通过实际紧急制动过程的模拟分析，得到了车轮所承受的机械载荷和热载荷，为车轮的疲劳分析提供了理论依据，有利于预防车轮损害，增长车轮使用寿命，减少经济损失。
1 车轮边界条件的确定
本文对轴重为25t，制动初速度为120km/h，紧急制动距离为1400m工况下重载货车踏面制动时车轮温度场与应力场进行分析。设定车轮的初始整体温度为20℃。
1.1 热流密度计算
在本文中，采用能量转换法。假设列车制动过程中重载货车的动能全部转化为热能，忽略轮轨摩擦热量输入，该热量全部被摩擦的闸瓦和踏面吸收。传入到踏面的热量作为热流密度来处理，即在与闸瓦摩擦的踏面上形成一个周向移动的面热源。则每辆车在制动过程中闸瓦和车轮踏面间摩擦产生的热量Q（ t）为：
2 车轮模型的建立
以直径840mm的 HESA形整体辗钢车轮为研究对象，假设热量在整个与闸瓦摩擦的车轮踏面周向上均匀输入，故车轮受到的载荷是轴对称的，可建立 1/2 车轮模型，进行简化计算。之后采用 8 节点六面体单元（ Solid70） 对其进行网格划分，最终得到的有限元模型单元数量为122430个，节点数量为138080个。
3 车轮温度场仿真计算
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