華 亮 田 威 曾 超 廖文和

（1.南京航空航天大學(xué)理學(xué)院，210016，南京；2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，210031，南京；3.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，210016，南京∥第一作者，講師）

現(xiàn)行的鐵路貨車檢修制度規(guī)定，零部件一旦達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命，不管其有沒有損傷，都直接報(bào)廢。這無形中造成了資源的巨大浪費(fèi)。輪對是機(jī)車車輛的主要部件，每年直接或間接報(bào)廢的輪對數(shù)量相當(dāng)可觀。對于達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的輪對，如果無損傷或只有輕微損傷，且尚有足夠的剩余壽命的話，則完全可以將其用于再制造，以節(jié)省大量資源。因此，評估輪對的疲勞壽命就顯得至關(guān)重要。

有限元軟件ANSYS WORKBENCH是一款在航空、鐵路、機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）分析軟件，具有強(qiáng)大的仿真分析能力。本文采用ANSYS WORKBENCH13.0軟件，以常用的鐵路貨車輪對為研究對象，在對其進(jìn)行靜強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS WORKBENCH軟件中的FATIGUE模塊TOOL工具對其疲勞壽命進(jìn)行仿真計(jì)算，以確定達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后而無損傷的輪對能否用于再制造。

1 輪對的有限元模型

本文選用由CL60鋼整體車輪、LZ50鋼RD2型實(shí)心車軸組成的輪對為研究對象，輪軸配合最大過盈量取0.3mm，車輪和車軸的彈性模量取209 GPa，泊松比取0.3，材料S－N（應(yīng)力－壽命）曲線取自ASME BPV Code（美國機(jī)械工程師協(xié)會鍋爐及壓力容器規(guī)范）。

輪對三維實(shí)體模型是在三維制圖軟件PRO／E中繪制的，繪制完成后可由有限元軟件ANSYS WORKBENCH直接引用；在該有限元軟件中對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即可生成輪對的有限元模型。模型中離散單元數(shù)為104 541個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為372 684個。離散前和離散后的輪對模型如圖1所示。

ANSYS WORKBENCH軟件的疲勞分析基于靜力分析，因此，首先對輪對進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真計(jì)算。

圖1 輪對有限元模型

2 輪對的靜強(qiáng)度計(jì)算

2.1 計(jì)算工況與載荷

輪對在實(shí)際運(yùn)行過程中受到的載荷十分復(fù)雜，本文參照歐洲鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)［1］，將輪對的受載工況簡化為如下3種進(jìn)行計(jì)算。

1）工況1：垂直靜載荷工況，即輪對承受垂直靜載荷加過盈量；

2）工況2：直線運(yùn)行工況，即輪對承受垂直動載荷加過盈量；

3）工況3：曲線運(yùn)行工況，即輪對承受垂直動載荷加橫向動載荷加過盈量。

其中，垂直靜載荷為車軸軸重的一半，垂直動載荷和橫向動載荷為垂直靜載荷分別乘以垂向動荷系數(shù)和橫向動荷系數(shù)。參照歐洲鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，垂向動荷系數(shù)和橫向動荷系數(shù)分別取0.25及0.70。仿真計(jì)算時，在軸頸端施加位移約束。

2.2 靜強(qiáng)度評定標(biāo)準(zhǔn)

按照TB／T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的規(guī)定，承受復(fù)雜應(yīng)力的構(gòu)件，其最大當(dāng)量應(yīng)力σe應(yīng)小于其許用應(yīng)力。當(dāng)量應(yīng)力的計(jì)算公式為：

式中：σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力，單位為 MPa。

2.3 仿真結(jié)果

由表1的結(jié)果可知：車軸在工況3所承受的最大當(dāng)量應(yīng)力為164.86MPa，車輪在工況2所承受的最大當(dāng)量應(yīng)力為366.5MPa，但均小于其許用應(yīng)力［2］。因此，輪對滿足靜強(qiáng)度要求。

表1 輪軸仿真最大當(dāng)量應(yīng)力與許用應(yīng)力對比 MPa

由圖2、圖3的仿真結(jié)果顯示，車輪最大當(dāng)量應(yīng)力在輪轂部位，車軸最大當(dāng)量應(yīng)力在輪座部位。這和輪對的實(shí)際受力情況是吻合的。

圖2 工況2的車輪最大當(dāng)量應(yīng)力云圖

圖3 工況3的車軸最大當(dāng)量應(yīng)力云圖

3 輪對疲勞壽命仿真

輪對在實(shí)際運(yùn)行過程中的載荷時間歷程可由動力學(xué)分析軟件仿真得到，也可由線路實(shí)測數(shù)據(jù)得到。本文計(jì)算用到的輪對載荷時間歷程采用青島四方車輛研究所有限公司由實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)雨流計(jì)數(shù)法和數(shù)據(jù)擬合后得到的八級載荷譜［3］。其數(shù)據(jù)如表2所示。利用ANSYS WORKBENCH軟件的FATIGUE模塊計(jì)算輪對在隨機(jī)載荷作用下的疲勞壽命。壽命結(jié)果報(bào)告中顯示的是零件失效時所能承受的載荷“塊”的數(shù)量（來表示輪對的疲勞壽命），而不是載荷循環(huán)次數(shù)。

表2 RD2軸八級載荷譜

由圖4、圖5的仿真結(jié)果顯示，車軸的疲勞壽命為1 685.4塊，車輪的疲勞壽命為1 330.7塊。每承受1塊載荷，車輛的運(yùn)行距離約為2 637.6（3.14×0.84×1 000）km。如按車輛每年平均運(yùn)行10萬km計(jì)算［4］，則車軸的使用壽命約為44.45年，車輪的使用壽命約為35.1年。兩者壽命均遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)壽命25年［5］。

圖4 車軸疲勞壽命云圖

圖5 車輪疲勞壽命云圖

有研究者對服役的36 050根鐵路車軸進(jìn)行了實(shí)際使用時間的統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示［6］。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：在交變載荷及復(fù)雜服役條件下，車軸在輪座部位易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致車軸的實(shí)際使用壽命多數(shù)集中在6～25年，但無裂紋車軸的壽命一般均超過25年，最大使用壽命超過31年。這和輪對仿真壽命相比是基本吻合的。

圖6 實(shí)測車軸壽命分布

綜上所述，當(dāng)輪對達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后，經(jīng)無損檢測如沒有產(chǎn)生損傷，則可以直接用于再制造；如產(chǎn)生輕微損傷，則可以采用先進(jìn)的再制造技術(shù)處理后再用于再制造，以節(jié)省大量資源。

4 結(jié)語

采用ANSYS WORKBENCH軟件對輪對的疲勞靜強(qiáng)度進(jìn)行了校核。結(jié)果顯示，車輪和車軸承受的當(dāng)量最大應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力，滿足輪對靜強(qiáng)度的要求。

采用ANSYS WORKBENCH軟件對輪對在隨機(jī)載荷條件下的疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，輪對疲勞壽命遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)壽命。因此，對使用年限達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的輪對，如沒產(chǎn)生損傷，則可用于再制造。

［1］PREN 13979鐵路應(yīng)用輪對與轉(zhuǎn)向架車輪技術(shù)驗(yàn)收程序［S］.

［2］田合強(qiáng)，王建斌，鄔平波.基于有限元的輪對強(qiáng)度計(jì)算及評定［J］.機(jī)械，2007（7）：11.

［3］侯衛(wèi)星.車軸疲勞裂紋擴(kuò)展的計(jì)算與分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1993，15 （2）：8.

［4］劉德剛，侯衛(wèi)星，王鳳洲，等.基于有限元技術(shù)的構(gòu)件疲勞壽命計(jì)算［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2004，26（2）：47.

［5］TG／CL 110—2011鐵路貨車廠修規(guī)程［S］.

［6］盧虓宇.鐵路貨車輪對冷加工質(zhì)量保障關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.