轨道车辆车轴车轮同温时间研究
摘要
关键词
轮对;同温;自然对流
正文
1 引言
轮对是轨道车辆的重要部件,其质量直接影响到行车安全。车轴、车轮一般为过盈配合,组装过程中需对车轴、车轮进行选配。为保证配合数据测量的准确性,车轴、车轮组装前须进行同温,目前轨道车辆行业,针对车轮、车轴同温时间主要采用2014年出版的《铁路客车轮轴组装检修及管理规则》,其中规定“轮座(盘座)及轮毂孔(盘毂孔)在选配和组装前,须与检测量具在相同环境下同温>8小时”。笔者认为此规范不适用于室内外温差较大的环境,本文通过建立模型、数据计算、绘制曲线等对车轴、车轮同温时间进行深入探讨。
2 建立模型
2.1 车轴模型
车轴模型简化为长:2200mm,直径:170mm,材质:E4AT。
2.2 车轮模型
车轮模型简化为外径:920mm,内径:200mm,宽度:60mm,材质:ER8。
3 同温时间计算
车轴、车轮在组装场地同温过程中,传热方式属于大空间中的自然对流。
3.1 热量计算
根据热量公式q=CmΔt=CρVΔt
C—物体的比热容;
m—物体的质量;
Δt—温度差;
ρ—密度,kg/m3;
V—体积,m3;
查得钢的密度ρ为7850kg/m3,比热容C为0.4605KJ/(kg·℃)
则车轴质量m轴=ρV=0.05m3×7850kg/m3=392kg
则车轮质量m轮=ρV=0.04m3×7850kg/m3=314kg
3.2 传热速率计算
根据牛顿冷却定律:Q=αSt
式中:α—平均对流传热系数,W/(m2·℃);
S—总传热面积,m2;
t—空气与零部件间温度差,℃。
由于车轴、车轴同温过程中t为变量,取其初始温度差为Δt,最终温度差为1℃,则对数平均温差t=Δt/lnΔt
3.3 同温时间计算
同温时间t=q/Q=CmlnΔt/αS
对于空气自然对流α范围:5∽25W/(m2.℃),由于车轴、车轮同温过程中温度均在±40℃范围内,温度较低,故取α=5W/(m2.℃)。
带入公式,则车轴同温时间t轴=8.5lnΔt
车轮同温时间t轮=6lnΔt
根据以上公式,计算不同温度差(1∽80℃)下车轴、车轮同温时间,计算结果详见表1。
表1 车轴、车轮与组装场地同温表
温度差 | 同温时间(小时) | 温度差 | 同温时间(小时) | ||
车轴 | 车轮 | 车轴 | 车轮 | ||
1 | 0 | 0 | 41 | 32 | 22 |
2 | 6 | 4 | 42 | 32 | 22 |
3 | 9 | 7 | 43 | 32 | 23 |
4 | 12 | 8 | 44 | 32 | 23 |
5 | 14 | 10 | 45 | 32 | 23 |
6 | 15 | 11 | 46 | 33 | 23 |
7 | 17 | 12 | 47 | 33 | 23 |
8 | 18 | 12 | 48 | 33 | 23 |
9 | 19 | 13 | 49 | 33 | 23 |
10 | 20 | 14 | 50 | 33 | 23 |
11 | 20 | 14 | 51 | 33 | 24 |
12 | 21 | 15 | 52 | 34 | 24 |
13 | 22 | 15 | 53 | 34 | 24 |
14 | 22 | 16 | 54 | 34 | 24 |
15 | 23 | 16 | 55 | 34 | 24 |
16 | 24 | 17 | 56 | 34 | 24 |
17 | 24 | 17 | 57 | 34 | 24 |
18 | 25 | 17 | 58 | 35 | 24 |
19 | 25 | 18 | 59 | 35 | 24 |
20 | 25 | 18 | 60 | 35 | 25 |
21 | 26 | 18 | 61 | 35 | 25 |
22 | 26 | 19 | 62 | 35 | 25 |
23 | 27 | 19 | 63 | 35 | 25 |
24 | 27 | 19 | 64 | 35 | 25 |
25 | 27 | 19 | 65 | 35 | 25 |
26 | 28 | 20 | 66 | 36 | 25 |
27 | 28 | 20 | 67 | 36 | 25 |
28 | 28 | 20 | 68 | 36 | 25 |
29 | 29 | 20 | 69 | 36 | 25 |
30 | 29 | 20 | 70 | 36 | 25 |
31 | 29 | 21 | 71 | 36 | 26 |
32 | 29 | 21 | 72 | 36 | 26 |
33 | 30 | 21 | 73 | 36 | 26 |
34 | 30 | 21 | 74 | 37 | 26 |
35 | 30 | 21 | 75 | 37 | 26 |
36 | 30 | 22 | 76 | 37 | 26 |
37 | 31 | 22 | 77 | 37 | 26 |
38 | 31 | 22 | 78 | 37 | 26 |
39 | 31 | 22 | 79 | 37 | 26 |
40 | 31 | 22 | 80 | 37 | 26 |
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根据表1,以温度差为X轴,同温时间为Y轴绘制车轴、车轮与组装场地同温曲线图,如图1所示。
图1车轴、车轮与组装场地同温曲线图
4 结论
根据车轴、车轮与组装场地同温曲线图可以得出如下结论:
(1)相同初始温度下,车轮同温所须时间比车轴短。
(2)对于室内外温差大于16℃时,车轴须同温24小时以上。
(3)对于热水清洗过的车轴、车轮,同温时间可参照图1进行确定。
[参考文献]
[1] 姚玉英,黄凤廉,陈常贵,柴诚敬. 化工原理(上下册)(第二版) 天津科学技术出版社,2004.7.
[2] 杨世铭传热学 第四版 高等教育出版社,2006.8.
作者简介:曹磊(1986-),男,高级工程师,轨道车辆转向架
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