火车车轮制造工艺

目前世界各国火车车轮的制造，除少量采用铸钢外，大多是用钢锭制坯，经锻压和轧制后机加工而成。
现俄国近年新建车轮成形生产线的工艺流程
钢坯先在三台水压机上，经镦粗、环内镦粗、压痕和模锻四个工步锻压成锻件，再在轧机上扩径，最后在一台水压机上冲孔、压弯和校正。生产率最高时达每小时120个。
日、德、英、美等国家所采用的车轮成形工艺流程。
钢锭制成的坯料先在同一台水压机上经预锻和模锻两个工步锻压成锻件，经轧制扩径，后在另一台水压机上冲孔和压弯。生产率每小时80个。
两种车轮成形工艺流程的后半部基本相同，不同的是前半部锻压部分。前者钢坯经四个工步分别在三台水压机上完成，后者钢坯经两个工步在同一台水压机上完成。前者生产率较高，但需要增加两台水压机并加大模锻水压机的吨位，设备投资和占地面积大。后者锻压工步和水压机台数少，但生产率不高，也未充分发挥后续工序设备的效能。
我国现行火车车轮的生产线是60年代引进前苏联技术建造的。钢锭折断下料的钢坯，经加热后先在一台30MN的水压机上用自由镦粗、环内镦粗和压痕三个工步制坯，再在80MN水压机上模锻成形，然后在轧机上轧制扩径，并在另一台30MN水压机上冲孔和压弯。如图3所示，生产率每小时80个。
2 车轮成形新工艺的试验研究
为了比较分析各种火车车轮的制造工艺，对车轮的锻压工艺流程进行了系统全面的试验研究，以求得优化的新工艺。
试验以塑泥和铅做试样，按实际尺寸10：1缩小，并制造出各种相应的成形模具，对车轮锻压过程各种工步的变形状态进行了模拟试验，测定各种工步的变形力。
首先对我国现行火车车轮的制造工艺进行了模拟分析。和英、日、德等国的生产线比较，此工艺流程虽多了一台水压机，但由于锻压工步多，生产率并未提高。且由于钢坯大小难以控制，端面不平，易出偏心，不得不加大机加工量。同时由于压痕深度不易控制，镦粗环和模锻模腔的拔模斜度方向相反，模锻过程会出现充不满而报废。
研究工作对各种制坯预成形工步进行了系统的试验比较。结果表明，只要预成形的模腔和模锻的模腔设计合理，模锻时锻件都能充满良好，制坯预成形是在型砧上自由镦粗，只需一个工步，不需要大型水压机。这样车轮制造前半部分锻压工艺只有两个工步，分别在大小两台水压机上组成生产线，生产率可达每小时120个，如能保证钢坯下料质量，还能减少机加工余量并节约能耗。
3 优化车轮成形新工艺的数值模拟
金属成形过程是一个复杂的变形过程，材料特性、变形速度、温度、摩擦条件、坯料形状及尺寸和模具结构等都对成形过程产生影响。目前，生产中选择工艺参数主要靠经验和试验。不但精度差，效率低，而且难以解决复杂问题。近年来，随着电子技术的飞速发展，有限元数值模拟和计算机图形显示技术开创了锻压工艺及模具CAD/CAS/CAM的新领域，塑性有限元方法不但可以用来计算塑性加工过程的力能消耗，还能计算变形工步的应变，应力分布和金属流动，为优化工艺过程和设计模具型腔提供依据。经过长期的研究和实践积累，开发出二维刚粘塑性有限元分析系统。
该系统具有如下主要功能：
1）对于外形复杂件的锻造问题，可自动生成初始速度场，并能处理任意曲线边界的摩擦问题；
2）自动确定任意动态边界的约束状态，边界节点位置自动刷新；
3）具有全局网格重划和畸变网格局部调整功能，采用自动划分和人机交互、局部修正相结合方式，可大大减少全局网格重划次数；
4）能进行初始网格的变形跟踪，软件在微机上运行，能模拟非稳态、大变形成形问题。
作者利用该系统对车轮锻造的预成形和终成形过程进行了数值模拟，摩擦因子取m=06，变形速度取40mm/s，变形步长取毛坯实始高度的05%。是坯料初始网格
通过反复试算，根据金属变形流动的信息不断修改调整坯料及模具尺寸，优选工艺参数和模具结构，最终获得车轮成形的最佳工艺流程(见图5)。
4 结论
1）试验研究的结果表明，火车车轮制造优化新工艺在于前半部分锻压过程采用制坯预成形和模锻两个工步分别在大小两台水压机上完成，然后轧制、冲孔和压弯，建立生产线，使全部设备充分发挥效用。这样的生产线效益最好。
2）有限元数值模拟火车车轮成形的全过程，揭示了金属流动的规律。经反复计算，优化了工艺参数和模具结构。数值模拟结果和试验吻合。
3）采用新的车轮成形工艺，能将目前每小时80个的生产能力提高到120个以上，并能减少偏心，节约大量钢材，降低能耗。

三三元色图谱，是根据图层的排除模式绘制的。具体方法是：

1、新建黑色背景的文档；

2、新建图层，使用椭圆工具画一个正圆选区，填充红色（R:255   G:0    B:0)（ 填充后，不要取消选区，以备后用） 如下图：

3、新建图层，自由变换选区，把选区移动到左下角，填充绿色（R：0    G：255    B：0）（仍然不要取消选区）如下图：

4、新建图层，自由变换选区，把选区移动到右下角，填充蓝色（R:0    G:0    B:255)如下图：

5、分别把红、绿、蓝三个图层的图层模式分别改为排除，如下图：

6、最后的效果如下：

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有限元模型 由于两端万向节结构不同,载荷不对称,需要对整个传动轴进行有限元分析根据实际受载情况和简化分析模型的需要,作如下假设: (1)简化轴承模型,将滚针与轴承考虑为一个整体,只关心轴承外圈与叉头之间的应力关系 (2)忽略一些不重要和受力较小的局部区域,如凸缘叉底盘端而齿等 (3)简化花键部分,将花键轴叉和花键套之间设定为两个曲面
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传动轴有限元分析计算 对上述模型进行有限元分析,得到低速档时的传动轴等效应力和综合位移云图 由分析结果可知,在低速档时,十字轴、花键轴叉的安全系数较低,分别为124和137,其它在15以上;它们的综合位移也较大十字轴和花键轴叉最大应力出现在各自的倒圆角处,原因是由于形状突变引起的应力集中;凸缘叉最大应力出现在螺钉连接处,原因也是
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结构优化及有限元分析 通过上面的分析可知,需要改善轴承受力情况,于是提出以下两种改进

从理论上讲，降低汽车油耗的途径有轻量化、减小轮胎滚动阻力及采用稀混合气发动机等。实际上，只有减小轮胎滚动阻力才是最切实可行的绿色轮胎设计途径，研究结果表明，轮胎的模具、花纹设计和轮胎结构和材料均对轮胎滚动阻力有影响。克服轮胎滚动阻力消耗的燃油占汽车总油耗的144%，而仅由胎面产生的滚动阻力就占轮胎滚动阻力的49%，其他部件的影响比例分别为：胎侧14%、胎体11%、胎圈11%、带束层8%、其余部件7%。由胎面直接造成的油耗约占71%。降低胎面的滚动阻力并保证抗湿滑性能良好将是绿色轮胎最基本的要求。
绿色轮胎技术主要从选择合适的胶种和配合剂，改进胎面胶料配方入手，再辅以减薄胎体、优化轮胎轮廓等结构设计手段，来达到降低轮胎滚动阻力的目的。可以预料，计算机辅助设计技术的介入和聚合物分子定向设计成果的推出，无疑将加速绿色轮胎开发进程。 子午化、无内胎化和扁平化是轮胎结构设计发展的方向, 也是绿色轮胎的首选。
绿色轮胎胎面一般由胎面胶和胎面基部胶两部分组成, 胎面胶的动态模量大于胎面基部胶, 胎面基部胶厚度与胎面胶厚度之比为0 25~ 0 70。通过用有限元法分析轮胎的水滑现象, 可以设计出能够明显改善水滑现象的胎面花纹, 如固特异公司的A quat red、米其林公司的Catamaran、普利司通公司的F170C 和倍耐力公司的P5000Dr ag o 等轮胎。 轮胎结构 大体可分为两种，即子午线结构和斜交结构。子午线结构与斜交结构的根本区别在于胎体。胎体是轮胎的基础，它是由帘线组成的层状结构。胎体层上部有帘线为周向排列的带束层，这种结构使帘线强度能够得到充分利用，故子午胎的帘布层数比斜交轮胎少40%-50%。
从设计上讲，斜交轮胎有很多局限性，由于斜交轮胎交叉排列的帘线强烈摩擦，使胎体容易生热，而且加速胎面花纹磨耗，其帘线布局也不能很好地提供优良的 *** 纵性能和乘坐舒适性；而子午线轮胎的钢丝带束层则有较好的柔韧性以适应路面的不规则冲击，且经久耐用。它的帘布层结构还意味着在行驶中有小得多的摩擦，从而获得较长的胎面寿命和较好的燃油经济性。
子午线轮胎本身的优点使轮胎无内胎化成为可能。无内胎轮胎有一个公认优点，当轮胎被扎破后，不是像有内胎的轮胎(普通的斜交胎是有内胎的)那样爆裂，而是在一段时间内保持气压，从而提高了安全性。
由于子午线轮胎胎体的特殊结构，使得在行驶中轮胎的路面抓力大、效果好，装有子午线轮胎的汽车与装有斜交轮胎的汽车相比，其耐磨性可提高50%-100%，滚动阻力降低20%-30%，可以节约油耗约6%-8%。也正因为这样，同样车型选用子午线轮胎比选用斜交轮胎 *** 纵性好，有较好的驾驶舒适性。
轮胎断面宽度增大时，滚动阻力呈下降趋势。这是因为轮胎断面宽增加而使胎侧部刚性减小，而对滚动阻力影响较小的侧部的变形增加，对滚动阻力影响较大的胎面部的变形减小所致。另外，随着轮胎断面宽度的加宽，胎面、带束层等主要部位的能量损失减小。因此加大轮胎断面宽度对降低滚动阻力有利。
如果胎圈部的填充胶条高度增高，则滚动阻力亦增加。因为随着填充胶条高度增高，产生滞后损失的物质体积增加，胎侧下部的能量损失亦增加。另外，填充胶条高度增加会因胎侧的刚性增加而使胎侧部变形减小，而对滚动阻力影响较大的胎面部的变形相对增大，这会导致滚动阻力增加。目前，胎体结构设计是向低断面方向发展。 胎面半径增大时，可降低轮胎的滚动阻力。这是因为胎面半径增大时轮胎产生平面接地屈挠变形，使因轮胎断面方向的屈挠变形所产生的应变能变小的缘故。也就是说，滚动阻力随着胎面半径的增大而减小，这主要得益于胎冠部和带束层能量损失减小。今后绿色轮胎胎面结构应朝如下方向发展：
(1)双层胎面
双层胎面轮胎具有高速、稳定、耐磨及生热低等优点，一般是由胎面和胎面基部两部分构成，其胎面与胎面基部胶具有不同的动态模量和tanδ。有关文献指出，胎面动态模量大于胎面基部动态模量(≥85 MPa)，tanδ大于012，胎面基部厚度与胎面厚度之比为025-070。
(2)发泡胎面
发泡胎面是由发泡橡胶制成的，除胎面胶的一般组分外，还含有结晶型间同立构1，2-聚丁二烯(粉末状，平均粒径为60 nm)，再配合发泡剂、抗氧剂等其他助剂。试验表明，使用发泡胎面制备的轮胎在干、湿路面上特别是在冰面上具有良好的制动和牵引性能，即使在炎热的夏季也完全能够保持驾驶稳定性、耐久性和低油耗，因此是绿色轮胎胎面胶的发展方向。
在进行轮胎结构设计时必须能够在不降低与滚动阻力相互矛盾的其他特性(湿滑性、安全性、振动性等)的前提下降低滚动阻力。作为具体的降低滚动阻力方案，必须综合考虑轮胎形状和橡胶配置，特别是要考虑对由复合材料构成的带束层、胎体帘布层滚动阻力的影响。作为轮胎结构研究，不能仅凭过去的直觉和经验，还要用模拟技术来加速低滚动阻力轮胎的开发。
有限元法采用橡胶材料的能量结构方程式已有数十年的历史，已从线性d性方程式过渡到Mooney-Rivlin方程式，最近还在大变形领域引入了非线性结构方程式。作为以轮胎为代表的许多工业橡胶材料使用的填充橡胶，在0-100%的应变领域中的储能模量、损耗模量、tan8这些黏d特性使应变具有非线性，一般被理解为佩因效应(弗莱彻-金特效应)。考虑这一点的非线性结构方程式近几年也被提出来了。在正常车轮转动状态下，应变在轮胎变形中也占大部分，控制该应变领域的黏d性对控制轮胎滚动阻力也尤为重要。实际上，通过将表示填充橡胶在0-100%的应变领域的储能模量、损耗模量、tanδ这些黏d特性的非线性黏d性结构方程式应用于FEA（有限元分析），可使轮胎滚动阻力的预测精度较传统预测有大幅度的提高。这样一来，降低轮胎滚动阻力的轮胎结构设计、新材料开发和配方设计的精度和效率就相应地得到提高。目前已经开发出通过用有限元法模拟轮胎滚动阻力，进而进行绿色轮胎设计的方法。 通常，降低轮胎滚动阻力有如下两种基本方法：
（1）减小轮胎质量
减小轮胎质量是降低轮胎滚动阻力最快速、最有效的方法。为了保证轮胎质量小，在确保轮胎使用性能的前提下，必须采用最小的部件厚度。轮胎生产厂必须严格控制工艺，以保证部件达到最小厚度，绝不允许工厂采取擅自加大部件厚度的办法来解决生产问题。采用轻质材料制造各轮胎部件也是减小轮胎质量的一种有效方法，采用芳纶带束层替代钢丝带束层就是一个明显的例子。
（2）减小材料能效
降低轮胎滚动阻力的第二种方法是减小轮胎材料的能量损失(滞后损失)。聚酯帘线的滞后损失较大，但经过合适的改良后，有可能推出较小滞后损失的品种。

1、单元类型你用到的就去了解一下，其它不用管。建议你多做与你相关的结构分析的例子，做完一个例子多分析分析，这样学的是最快的。
2、网格划分，是有限元关键一环。人体脊柱肯定是不规格的，用自由划分的话方便，精度不高，不过可以预先定义单元长度可以提高划分精度，要想用映射或则扫描得到较好的网格质量得多花点功夫。因为网格划分质量直接关系到求解的精度。我建议关键部位尽量用六面体单元，其它四面体自由划分。
3、结构力学的书很多，最近出来了专门一本讲结构力学的，名字记得不是很确切。大概是ANSYS 120 结构分析实例详解
4、理论基础才是根本，不然你即使算出来了，也没有办法确定你算得结果有多大的可信度。况且有限元分析或多或少存在一定误差，且误差与很多因素有关--单元类型、模型简化、网格划分、边界条件的定义等等。建议适当看看材料力学、有限元原理方面的书。如果想速成，就多做与你相关的例子，一定做透。还有到各论坛去看看别人怎们做的，多问问。

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