李旻昊

（智奇鐵路設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

高速動(dòng)車(chē)組輪軸疲勞強(qiáng)度探析

李旻昊

（智奇鐵路設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

高速動(dòng)車(chē)組目前正常運(yùn)營(yíng)最高時(shí)速已可達(dá)到350km/h，動(dòng)車(chē)組的高速運(yùn)行也對(duì)其各個(gè)部件的服役狀態(tài)提出更高要求，其運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性也越來(lái)越受到人們的重視。文章所要探討的是直接傳遞輪軌作用力的輪對(duì)部件，它們作為車(chē)輛運(yùn)行中關(guān)鍵的走行部件，在動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)受隨機(jī)荷載，其金屬疲勞不斷累積。文中分析隨機(jī)載荷作用下高速動(dòng)車(chē)組輪對(duì)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法及計(jì)算過(guò)程，希望為動(dòng)車(chē)組科學(xué)維護(hù)修理、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供理論參考。

動(dòng)車(chē)組；輪對(duì)；疲勞強(qiáng)度；隨機(jī)荷載；壽命

高速動(dòng)車(chē)組具有較高的車(chē)輛運(yùn)行速度，所以它的安全可靠性格外受人關(guān)注。從輪對(duì)的疲勞強(qiáng)度層面來(lái)看，它的疲勞破壞會(huì)隨車(chē)輛運(yùn)行時(shí)間的增加而不斷累積，輪對(duì)承受的水平與垂直動(dòng)荷載不斷加劇，造成輪對(duì)疲勞失效狀況，即輪軸損傷，這也是鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛發(fā)生重大事故的根本導(dǎo)火索。為了能夠真實(shí)反映輪對(duì)在運(yùn)行過(guò)程中所承受的隨機(jī)荷載作用以及疲勞影響，對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)荷載疲勞壽命預(yù)測(cè)及計(jì)算是非常有必要的，它能夠?yàn)楦咚賱?dòng)車(chē)組的輪軸疲勞壽命延續(xù)提供技術(shù)參考依據(jù)。

1 應(yīng)力疲勞理論分析

由車(chē)輛系統(tǒng)高速運(yùn)行所帶來(lái)的疲勞是一種循環(huán)應(yīng)力，而根據(jù)循環(huán)應(yīng)力的大小，還可以將其劃分為應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞。如果最大循環(huán)應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，那么就會(huì)構(gòu)成應(yīng)力疲勞。應(yīng)力疲勞的循環(huán)應(yīng)力水平是較低的，而壽命循環(huán)次數(shù)則非常高（106次以上），所以說(shuō)它也被稱為高周疲勞。對(duì)應(yīng)力疲勞的壽命計(jì)算主要通過(guò)S-N曲線來(lái)得出，S-N曲線所表示的就是外加應(yīng)力水平與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力疲勞壽命之間的關(guān)系曲線函數(shù)?？紤]到疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)都存在一定的離散性，所以高速動(dòng)車(chē)組的輪對(duì)疲勞壽命一定和應(yīng)力水平相關(guān)，但二者之間的關(guān)系并非是一一對(duì)應(yīng)的單值關(guān)系。以下用曲線函數(shù)來(lái)表示平均應(yīng)力對(duì)輪對(duì)的具體影響，見(jiàn)圖1。

圖1 輪對(duì)平均應(yīng)力曲S-N曲線函數(shù)圖

圖1所示為平均應(yīng)力對(duì)輪對(duì)疲勞壽命的影響變化。當(dāng)平均應(yīng)力為負(fù)值時(shí)所體現(xiàn)的就是壓應(yīng)力，它能夠提高輪對(duì)的疲勞壽命；而如果平均應(yīng)力為正值時(shí)它應(yīng)該為拉應(yīng)力，此時(shí)輪對(duì)疲勞壽命就會(huì)相應(yīng)降低。

2 壽命預(yù)測(cè)方法分析

目前對(duì)高速動(dòng)車(chē)組車(chē)軸、車(chē)輪即輪對(duì)部分的疲勞壽命預(yù)測(cè)一般采用FE-Fatigue法。它的方法實(shí)施流程如下：首先在有限元分析軟件中依據(jù)輪對(duì)的實(shí)際服役狀況給出輪對(duì)應(yīng)力結(jié)果文件，再根據(jù)輪對(duì)的單獨(dú)載荷設(shè)置來(lái)明確載荷步，讓結(jié)果文件中包含對(duì)載荷步的結(jié)果數(shù)據(jù)。此時(shí)通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析軟件來(lái)為輪對(duì)疲勞壽命分析構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)高速動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行線路來(lái)確定對(duì)輪對(duì)疲勞壽命預(yù)測(cè)的計(jì)算工況，以計(jì)算輸出結(jié)果來(lái)畫(huà)出輪對(duì)載荷時(shí)間的歷程曲線，再把應(yīng)力結(jié)果文件導(dǎo)入到有限元分析軟件當(dāng)中，將其再次轉(zhuǎn)化為損傷計(jì)算文件，并同時(shí)編輯材料S-N曲線，得出疲勞參數(shù)結(jié)果，了解輪對(duì)的損傷結(jié)果與壽命結(jié)果。為了進(jìn)一步了解高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輪車(chē)軸的輪對(duì)載荷及疲勞強(qiáng)度，還要繼續(xù)給出輪對(duì)的載荷時(shí)間歷程曲線，對(duì)輪對(duì)的疲勞壽命進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算。

2.1 計(jì)算輪對(duì)載荷時(shí)間歷程曲線

高速動(dòng)車(chē)組的輪對(duì)載荷時(shí)間歷程主要涉及輪對(duì)疲勞載荷譜，獲得它主要有兩種方法：①通過(guò)動(dòng)車(chē)組實(shí)際線路測(cè)試，調(diào)查輪對(duì)軸頸上的橫向與垂向載荷時(shí)間曲線；②根據(jù)動(dòng)力學(xué)的仿真計(jì)算來(lái)獲取。一般來(lái)說(shuō)，目前采用第二種方法較多，因?yàn)樗哂袠O高的經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性，也能夠較為精確的反映出車(chē)輪車(chē)軸輪對(duì)在動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的實(shí)際受力狀況。只需要對(duì)其受力狀況進(jìn)行分析，配合載荷譜簡(jiǎn)單處理就能直接投入使用。

根據(jù)某一高速動(dòng)車(chē)組為例，為它建立動(dòng)力學(xué)模型，并計(jì)算它所運(yùn)行線路軌道的軌道譜作為基本激擾參考，在計(jì)算后輸出輪軌輪對(duì)的橫向載荷時(shí)間歷程。動(dòng)車(chē)組輪對(duì)曲線半徑與限制速度之間的數(shù)據(jù)對(duì)照表格，見(jiàn)表1。

表1 某高速動(dòng)車(chē)組輪對(duì)曲線半徑與限制速度之間的數(shù)據(jù)對(duì)照表

以上真實(shí)反映了高速動(dòng)車(chē)組輪對(duì)的實(shí)際受力情況，證明該動(dòng)車(chē)組在曲線半徑為4500m以下的線路必須限速行駛，它的具體限速計(jì)算公式為：

2.2 計(jì)算輪對(duì)疲勞壽命

在對(duì)載荷時(shí)間歷程計(jì)算之后，就要計(jì)算將載荷部步結(jié)果文件導(dǎo)入到有限元分析軟件中，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)載荷時(shí)間歷程的對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)，最后構(gòu)建輪對(duì)應(yīng)力疲勞分析模型。計(jì)算輪對(duì)的疲勞壽命及損傷結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，在輪對(duì)疲勞壽命計(jì)算中所選取的載荷譜時(shí)間要根據(jù)載荷時(shí)間歷程來(lái)定，并由載荷譜時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)折合計(jì)算動(dòng)車(chē)組實(shí)際運(yùn)行的里程數(shù)。通常情況下車(chē)軸壽命都會(huì)大于車(chē)輪壽命，而且絕大部分（超過(guò)99.9%）的車(chē)輪壽命都應(yīng)該在1000萬(wàn)公里以上。在這里，要運(yùn)用到輪對(duì)疲勞壽命與過(guò)盈量曲線的關(guān)系比，所謂過(guò)盈量就是指車(chē)輪車(chē)軸與軌道結(jié)合的緊密程度，它的決定因素包括了動(dòng)車(chē)組運(yùn)行的實(shí)際速度，以及輪對(duì)與軌道之間的各種隨機(jī)應(yīng)力負(fù)荷關(guān)系。因此，基于對(duì)輪對(duì)疲勞壽命的計(jì)算分析可以簡(jiǎn)單總結(jié)以下4點(diǎn)內(nèi)容。

（1）過(guò)盈量增加，動(dòng)車(chē)組的車(chē)軸疲勞壽命就會(huì)下降，這種關(guān)系在動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行時(shí)體現(xiàn)的非常明顯，且會(huì)隨著運(yùn)行里程的增加而越來(lái)越明顯。從細(xì)節(jié)來(lái)看，動(dòng)車(chē)組的輪座位置過(guò)渡圓弧處是受損害最大的位置。

（2）過(guò)盈量的增加對(duì)車(chē)輪的疲勞壽命影響不大，其損傷的位置基本出現(xiàn)于輻板與輪轂的過(guò)渡圓弧位置，當(dāng)該圓弧處半徑越大時(shí)，過(guò)盈量增加越快，對(duì)輪對(duì)的疲勞壽命影響也就越明顯。

（3）動(dòng)車(chē)組在高速運(yùn)行時(shí)其車(chē)軸損傷最明顯的位置當(dāng)屬輪座位置，這是因?yàn)閯?dòng)車(chē)車(chē)軸輪座位置多位于車(chē)軸的凹槽處，一般列車(chē)在設(shè)計(jì)上要求輪座位置直徑比應(yīng)該大于1.12，如果小于這一數(shù)值就會(huì)在動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行過(guò)程中集中大量應(yīng)力，導(dǎo)致其出現(xiàn)較大損傷。所以說(shuō)在對(duì)列車(chē)輪對(duì)校核過(guò)程中必須首先關(guān)注輪座位置。在設(shè)計(jì)車(chē)輪輪座時(shí)盡量不要采用小半徑圓弧，以避免應(yīng)力過(guò)度集中現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）在對(duì)輪對(duì)實(shí)施靜強(qiáng)度分析過(guò)程中，可以得到車(chē)軸應(yīng)力的最大位置，它主要位于車(chē)軸的中空孔內(nèi)表面，它的產(chǎn)生來(lái)源于過(guò)盈配合。在疲勞強(qiáng)度計(jì)算中，要注意輪對(duì)疲勞損傷的主要形成原因，明確是應(yīng)力幅值導(dǎo)致了它損傷程度的變化。應(yīng)力幅值越小，輪對(duì)的疲勞強(qiáng)度越小，疲勞損傷也就越小，車(chē)輪車(chē)軸的使用壽命也就越長(zhǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章基于FE-Fatigue法及有限元分析軟件對(duì)高速及動(dòng)車(chē)組的輪對(duì)疲勞強(qiáng)度、壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)和計(jì)算，明確了車(chē)輪車(chē)軸在動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生疲勞消耗的原因。同時(shí)也研究了過(guò)盈量對(duì)輪對(duì)疲勞壽命的具體影響，證明了過(guò)盈量的增加對(duì)車(chē)輪車(chē)軸疲勞壽命的下降趨勢(shì)。

[1]黃彪.高速動(dòng)車(chē)組輪對(duì)疲勞強(qiáng)度研究[D].西南交通大學(xué),2010.

[2]徐傳來(lái),米彩盈.高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力輪對(duì)車(chē)輪疲勞強(qiáng)度研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2014,31(6):158-163.

[3]田合強(qiáng),高福來(lái),鄔平波.高速列車(chē)車(chē)軸強(qiáng)度計(jì)算方法研究[A].中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量委員會(huì)、《鐵道技術(shù)監(jiān)督》編輯部.中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)第三屆標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量委員會(huì)2008年學(xué)術(shù)交流報(bào)告會(huì)論文集[C].中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量委員會(huì)、《鐵道技術(shù)監(jiān)督》編輯部,2008:9.

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2096-2789（2016）11-0092-02