王宗正

摘要：采用ABAQUS 2016軟件對(duì)某軌道車輛車輪進(jìn)行三維有限元分析，基于EN 13749 及 UIC 510-5標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算了車輪在直線、曲線和道岔工況下，不同載荷加載平面下的應(yīng)力，組合最大主應(yīng)力投影準(zhǔn)則與Crossland多軸疲勞準(zhǔn)則對(duì)車輪輻板與輻板孔的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，這種組合疲勞評(píng)定準(zhǔn)則的評(píng)價(jià)結(jié)果可以較好的評(píng)估車輪抗疲勞性能。

Abstract： In this dissertation， a rail vehicle wheel is chosen as the research subject. Based on the three-dimensional finite element method we analyze the wheel in Abaqus 2016. Based on three conditions of straight line， curve and turnout in EN 13749 and UIC 510-5 standard， calculate the stress of the wheel under different loading planes. Combined with the maximum principal stress projection criterion and the Crossland multi axle fatigue criterion， the fatigue strength is analyzed for both the wheel web and the web pin hole. The calculation results show that this combined fatigue evaluation criterion can evaluate the wheel fatigue performance very well.

關(guān)鍵詞：車輪;疲勞強(qiáng)度;最大主應(yīng)力投影;多軸疲勞

Key words： wheel;fatigue strength;maximum principal stress projection;multiaxial fatigue

中圖分類號(hào)：U270.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0048-03

0? 引言

車輪是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件之一，其安全性對(duì)于列車的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要[1][2]。車輪的運(yùn)營(yíng)工況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，容易發(fā)生疲勞破壞。隨著列車運(yùn)營(yíng)速度的提升及載重量的增加，車輪疲勞安全問(wèn)題越來(lái)越重要，在車輪投入運(yùn)用前，須評(píng)價(jià)其疲勞性能，以確保其服役可靠性。

現(xiàn)有的軌道車輛車輪疲勞評(píng)定準(zhǔn)則主要包括單軸疲勞評(píng)定準(zhǔn)則與多軸疲勞評(píng)定準(zhǔn)則，其中單軸疲勞是指材料或零部件在單向循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生的失效現(xiàn)象，多軸疲勞是指材料或零部件在復(fù)雜多維交變應(yīng)力周期性性變化下造成的疲勞失效破壞。針對(duì)車輪輻板及輻板銷孔的結(jié)構(gòu)及受載特性，本文采用了單軸疲勞準(zhǔn)則最大主應(yīng)力投影準(zhǔn)則評(píng)定車輪輻板疲勞強(qiáng)度，采用了Crossland多軸疲勞準(zhǔn)則評(píng)定輻板銷孔疲勞性能[3][4]。

1? 車輪概況

某軌道車輪由CL60鋼整體軋制而成，彈性模量為210GMPa，泊松比為0.3，屈服極限為355MPa，疲勞極限為車輪直徑為840mm，軸重為15t，輪軸配合最大過(guò)盈量為0.277mm，設(shè)計(jì)最高運(yùn)營(yíng)速度100km/h。由CL60鋼鍛造而成，von Mises 屈服強(qiáng)度為355MPa，疲勞極限為180MPa，彎曲疲勞極限為254MPa，扭轉(zhuǎn)疲勞極限為177.5MPa。

2? 有限元模型

在車輪靜強(qiáng)度驗(yàn)證和疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證時(shí)必須采用三維模型，計(jì)算中選取整個(gè)車輪和車軸的一部分作為計(jì)算對(duì)象，整個(gè)模型均采用ABAQUS軟件中的實(shí)體單元C3D8R，模型共有145524個(gè)單元和138684個(gè)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力集中部位單元尺寸為5.06mm，車輪與車軸采用過(guò)盈配合，載荷以集中力的方式施加在圖2所示的車輪幾何外形面上，施加繞車輪軸線的角速度以考慮離心力作用。

2.1 加載與約束

車軸模型的兩端施加徑向和周向約束，一端施加軸向約束，有限元模型與約束施加位置見圖3。

2.2 計(jì)算工況

依據(jù)EN13979-1：2003《鐵路應(yīng)用-輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架-整體車輪-技術(shù)認(rèn)證程序第1部分：鍛造和軋制車輪》和UIC 510-5 OR《整體車輪的技術(shù)認(rèn)證-標(biāo)準(zhǔn)EN13979-1第2版的應(yīng)用文件》中所給的載荷組合和載荷施加點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算;[5][6]載荷計(jì)算與工況選取如下：

3? 評(píng)定方法

3.1 最大主應(yīng)力投影準(zhǔn)則

首先根據(jù)計(jì)算結(jié)果選出三種工況中給定節(jié)點(diǎn)的最大σi（主應(yīng)力編號(hào)i=1，2，3）值，作為σimax，計(jì)算出σi的方向余弦向量（nσimaxx，nσimaxy，nσimaxz），應(yīng)用方向余弦向量與此節(jié)點(diǎn)在其余兩個(gè)工況下的應(yīng)力張量矩陣，計(jì)算得到σimin，應(yīng)用σmax與σmin計(jì)算得出平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，對(duì)每個(gè)考察節(jié)點(diǎn)，表1總結(jié)了5個(gè)應(yīng)力循環(huán)。

3.2 Crossland多軸疲勞準(zhǔn)則

對(duì)于車輪輻板銷孔的疲勞驗(yàn)證，采用Crossland多軸疲勞標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考慮孔表面的多軸應(yīng)力狀態(tài)。Crossland多軸疲勞標(biāo)準(zhǔn)采用最大應(yīng)力分量，并且認(rèn)為安全性隨變量？子ott，a（動(dòng)態(tài)八面體剪應(yīng)力）而變。

4? 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4.1 車輪輻板疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

依據(jù)3.1節(jié)所述的方法對(duì)車輪輻板的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析，圖5為進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)，各應(yīng)力循環(huán)下新輪輻板被驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)最小安全系數(shù)見表2，新輪輻板被驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)最小安全系數(shù)為1.99，位于新輪輻板外側(cè)表面，節(jié)點(diǎn)號(hào)為60928，出現(xiàn)在σ12、σ22應(yīng)力循環(huán)中，圖6為安全系數(shù)小于2的節(jié)點(diǎn)在車輪上的位置，均出現(xiàn)在σ12應(yīng)力循環(huán)和σ22應(yīng)力循環(huán)中，圖7為被驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Haigh曲線圖和安全系數(shù)分布圖。

4.2 輻板銷孔疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

依據(jù)3.2節(jié)所述的方法對(duì)車輪輻板的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析，圖8、圖9為對(duì)新輪輻板銷孔表面被驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的Crossland圖，輻板Φ19銷孔表面節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)η1最小值為6.11，安全系數(shù)η2最小值為2.97;輻板Φ25銷孔表面節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)η1最小值為5.47，安全系數(shù)η2最小值為2.71。

5? 結(jié)論

采用了單軸疲勞準(zhǔn)則最大主應(yīng)力投影準(zhǔn)則評(píng)定車輪輻板疲勞強(qiáng)度，采用了Crossland多軸疲勞準(zhǔn)則評(píng)定輻板銷孔疲勞性能：①輻板被驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)最小安全系數(shù)為2.04，位于新輪輻板內(nèi)側(cè)表面，節(jié)點(diǎn)號(hào)為65081，出現(xiàn)在σ33應(yīng)力循環(huán)中。②輻板Φ19銷孔表面節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)η1最小值為6.11，安全系數(shù)η2最小值為2.97;輻板Φ25銷孔表面節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)η1最小值為5.47，安全系數(shù)η2最小值為2.71。

參考文獻(xiàn)：

[1]張澎湃.基于主應(yīng)力法和修正的Crossland疲勞準(zhǔn)則的動(dòng)車組車輪強(qiáng)度評(píng)定方法[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2014，35（2）：52-57.

[2]唐道武.機(jī)車車輪多軸疲勞強(qiáng)度安全評(píng)定的研究[J].內(nèi)燃機(jī)車，2008，7：10-13.

[3]王悅東.基于改進(jìn)的Goodman曲線的車輪疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，14（4）：827-832.

[4]王悅東.單軸和多軸疲勞準(zhǔn)則下的車輪疲勞強(qiáng)度分析[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37（2）：47-52.

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[6]BS EN 13979-1，Railway Application-Wheelsets and Bogies-Mnobloc Wheels-Technical Approval Procedure-Part1：Forged and Rolled Wheels[S].BSI，2003.

[7]徐灝.疲勞強(qiáng)度[M].北京：高等教育出版社，1988.