CRH5型高速動(dòng)車組車輪輪輞疲勞壽命分析

張廷秀，陳換過(guò)，蔡 麗，張 文，陳 培

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州310018）

CRH5型高速動(dòng)車組車輪輪輞疲勞壽命分析

張廷秀，陳換過(guò)，蔡 麗，張 文，陳 培

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州310018）

根據(jù)國(guó)內(nèi)外車輪相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用基于有限元法的疲勞壽命分析方法分析了動(dòng)車組車輪輪輞疲勞壽命。根據(jù)UIC510-5和BS EN13979標(biāo)準(zhǔn)，確定了車輪運(yùn)行過(guò)程中的載荷工況，進(jìn)而編制了動(dòng)車組車輪在不同工況下的載荷譜。借助有限元軟件分析了不同工況下動(dòng)車組車輪的應(yīng)力狀態(tài)并獲得了輪輞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力譜，結(jié)合輪輞材料的S-N曲線和Miner法則對(duì)直道、彎道和道岔工況下車輪輪輞危險(xiǎn)部位的疲勞壽命進(jìn)行了估計(jì)。結(jié)果表明：道岔工況對(duì)輪輞危險(xiǎn)部位壽命影響最為嚴(yán)重，而直道和彎道的影響相對(duì)較小。分析結(jié)果為確定車輪的安全檢修周期提供了一定的理論依據(jù)，對(duì)高速動(dòng)車組的安全運(yùn)行有實(shí)際指導(dǎo)意義。

高速動(dòng)車組；輪輞；載荷譜；有限元；疲勞壽命

0　引 言

經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展，我國(guó)高速鐵路建設(shè)已經(jīng)躋身世界高速鐵路的強(qiáng)國(guó)之列。車輪在高速動(dòng)車組列車的安全運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用。然而，隨著動(dòng)車組逐漸向高速化發(fā)展，車輪輪輞中的問(wèn)題也隨增多，嚴(yán)重影響了列車的運(yùn)行安全［1］。輪輞的主要失效形式是輞裂，輞裂是由車輪接觸疲勞而引起的踏面深度剝離，因此對(duì)輪軌接觸區(qū)周圍輪輞部位的疲勞強(qiáng)度和壽命的分析是研究車輪輞裂的重要內(nèi)容。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)車輪的疲勞強(qiáng)度和壽命做了大量研究，研究?jī)?nèi)容主要集中在基于國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的車輪疲勞強(qiáng)度分析和基于載荷譜的車輪疲勞壽命分析。李樹(shù)林等［2］依據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CRH3型動(dòng)車組車輪進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度評(píng)定，依據(jù)Miner法則分析了車輪的疲勞壽命預(yù)測(cè)圖；Liu等［3］提出了鐵路車輪的高周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，確立了輪對(duì)的三維彈塑性有限元模型；梁紅琴等［4］參考EN 13979-1的強(qiáng)度校核方法，分析了車輪在直線、曲線及道岔三種運(yùn)行工況下車輪考察部位的動(dòng)應(yīng)力變化范圍，探討了車輪的疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法；Seo等［5］采用有限元法計(jì)算了車輪的殘余應(yīng)力，并通過(guò)疲勞極限圖對(duì)車輪的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定；劉旭等［6］分別采用基于單軸疲勞理論的車輪疲勞強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則和Dang-Van多軸高周疲勞評(píng)定準(zhǔn)則對(duì)同一車輪進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，并比較兩者的安全度和適用范圍。這些研究大多以整個(gè)車輪為研究對(duì)象，而針對(duì)輪輞危險(xiǎn)部位疲勞強(qiáng)度和壽命的研究相對(duì)較少，更缺乏針對(duì)具體某個(gè)型號(hào)的車輪輪輞的研究。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的大量案例分析可知，輪輞最容易出現(xiàn)輞裂的部位是距踏面以下15 mm左右的位置，因?yàn)樵摬课蝗菀状嬖趭A雜物且應(yīng)力值相對(duì)較大。針對(duì)這種情況，本文以CRH5型高速動(dòng)車組車輪為研究對(duì)象，參考國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合車輪材料的S -N曲線和Miner法則，對(duì)車輪輪輞踏面下15 mm這一危險(xiǎn)部位進(jìn)行壽命估計(jì)。

1　車輪的載荷工況及載荷譜

1.1車輪的載荷工況

國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)UIC510-5和BS EN13979對(duì)車輪運(yùn)行中的直道工況、彎道工況和道岔工況下載荷的位置和方向做了相關(guān)規(guī)定，如圖1所示，并對(duì)三種工況載荷的計(jì)算方法做了相關(guān)規(guī)定，計(jì)算公式如下：

直道工況1：

彎道工況2：

EZ=1.25Pg/2；EY2=0.7Pg/2（導(dǎo)向輪）或EY2=0.6Pg/2（非導(dǎo)向輪）（2）

道岔工況3：

EZ=1.25Pg/2；EY2=0.42Pg/2（導(dǎo)向輪）或EY2=0.36Pg/2（非導(dǎo)向輪）；EY3=0.6Pg/2（導(dǎo)向輪）或EY3=0.6Pg/2（非導(dǎo)向輪）（3）

式（1）-（3）中：EY為等效橫向力，EZ為等效垂向力，P為軸重，g為重力加速度。

圖1　直道、彎道和道岔工況載荷的位置和方向（單位：mm）

1.2不同工況下車輪的載荷譜

對(duì)不同國(guó)家的高速列車技術(shù)參數(shù)分析可知，當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到350 km/h級(jí)別時(shí)，最大軸重一般要控制在17 t以內(nèi)［7］。故可以據(jù)此求得靜載工況下列車車輪的最大載荷，之后可由式（1）-（3）求得車輪在不同動(dòng)載工況下的最大動(dòng)載荷；再結(jié)合文獻(xiàn)［8］中編制載荷譜的方法以及參考四方車輛研究所測(cè)得的同類車輛的實(shí)際載荷譜，可編制出車輪的載荷譜。

當(dāng)列車軸重為最大軸重17 t時(shí)，考慮列車輪對(duì)的自重，約為P0=1.47t，取導(dǎo)向輪進(jìn)行研究，由式（1）-（3）可得到車輪在不同動(dòng)載工況下的最大動(dòng)載荷：

直道工況：EZ=1.25（P+P0）g/2=115437.5N，EY=0N；

彎道工況：EZ=1.25（P+P0）g/2=115437.5N，

EY2=0.7（P+P0）g/2=64645N；

道岔工況：EZ=1.25（P+P0）g/2=115437.5N，EY2=0.42（P+P0）g/2=38787N，EY3=0.6（P+P0）g/2=54410N.

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)［8］，列車在一年的時(shí)間里大約運(yùn)行3×105km，每千米會(huì)發(fā)生約350次載荷循環(huán)，每106次載荷循環(huán)會(huì)發(fā)生一次最大的載荷，故第一級(jí)最大載荷的循環(huán)數(shù)大約為105次，由此可根據(jù)載荷循環(huán)比得到列車運(yùn)行一年的時(shí)間里各級(jí)載荷的頻次。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］可知各級(jí)載荷比及其對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)比，如表1所示。

表1　各級(jí)載荷比及其循環(huán)比

由表1各級(jí)載荷比及其對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)比，結(jié)合前文求得的不同工況下車輪的最大動(dòng)載荷（最大動(dòng)載荷包括最大垂向載荷和橫向載荷），可得到各工況的垂向載荷譜和橫向載荷譜。各工況的垂向載荷和橫向載荷及其對(duì)應(yīng)的頻次，如表2、表3和圖2所示。

表2　直道、彎道和道岔工況垂向載荷譜FZi

表3　彎道、道岔工況橫向載荷譜FYi

圖2　直道、彎道和道岔工況載荷

2　有限元分析

2.1有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文所研究的車輪為CRH5型高速動(dòng)車組車輪，車輪的設(shè)計(jì)和制造按標(biāo)準(zhǔn)UIC510-5和BS EN13979執(zhí)行，車輪踏面采用XP55磨耗型踏面，允許磨耗量為40 mm，滾動(dòng)圓直徑為Φ890 mm。

在三維實(shí)體軟件Pro/E里建立半輪對(duì)三維模型，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS里處理后進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料參數(shù)設(shè)置。單元采用三維實(shí)體solid187單元。輪軸的彈性模量為E=2.1×105MPa，泊松比為μ=0.3。根據(jù)輪軸的實(shí)際運(yùn)行狀況，在車軸的軸箱處施加固定約束，不同運(yùn)行工況下車輪上施加的載荷位置及方向如圖1所示，有限元模型如圖3所示。

圖3　輪軸的有限元模型

2.2輪輞危險(xiǎn)部位的最大應(yīng)力譜

通過(guò)ANSYS軟件分別對(duì)直道、彎道和道岔工況的各級(jí)載荷進(jìn)行加載計(jì)算。直道工況第一級(jí)載荷作用下，危險(xiǎn)部位（距踏面15 mm）及其von Mises應(yīng)力云圖如圖4所示。提取三種工況各級(jí)載荷作用下輪輞危險(xiǎn)部位的最大von Mises應(yīng)力值，經(jīng)過(guò)分析得到輪輞的應(yīng)力譜，如表4所示。直道工況輪輞的應(yīng)力譜如圖5所示，其中n1-n8為各級(jí)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的頻次。

圖4　直道工況第一級(jí)載荷作用下輪輞危險(xiǎn)部位及其應(yīng)力云圖

表4　直道、彎道和道岔工況輪輞的應(yīng)力譜

圖5　直道工況輪輞的應(yīng)力譜

3　車輪輪輞的疲勞壽命估算

線性疲勞累積損傷理論認(rèn)為，在循環(huán)載荷作用下，各應(yīng)力之間都是相互獨(dú)立的，疲勞損傷可以線性累加，當(dāng)累積到一定程度時(shí)試件或構(gòu)件就發(fā)生疲勞破壞。

3.1不同工況的各級(jí)載荷下的壽命估計(jì)

得到輪輞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力譜后，可根據(jù)車輪輪輞材料的S-N曲線估計(jì)出相應(yīng)的應(yīng)力級(jí)下的疲勞壽命。本文選取的S-N曲線為指數(shù)形式表達(dá)式，超長(zhǎng)壽命段的S-N曲線為一條直線。

指數(shù)形式的S-N曲線可表示為：

等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)后為：

其中材料參數(shù)為：A=lg C/m lg e，B=1/m lg e。S-N曲線圖中，當(dāng)壽命取對(duì)數(shù)而應(yīng)力不取對(duì)數(shù)表示時(shí)，S與N間有線性關(guān)系，通常稱為半對(duì)數(shù)線性關(guān)系。

依據(jù)國(guó)內(nèi)某些作者對(duì)動(dòng)車組車輪疲勞強(qiáng)度分析得到的S-N曲線進(jìn)行疲勞壽命的估計(jì)。選取的動(dòng)車組車輪的S-N曲線［8］經(jīng)過(guò)變換可表示為：

選取的超長(zhǎng)壽命段的S-N曲線可表示為：

據(jù)此，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算可得到直道、彎道和道岔工況中輪輞危險(xiǎn)部位各級(jí)最大應(yīng)力下的疲勞壽命，如表5所示。

表5　直道、彎道和道岔工況中各級(jí)應(yīng)力下輪輞危險(xiǎn)部位的疲勞壽命

3.2三種工況的疲勞壽命估計(jì)

本文選用最具代表性的Palmgren-Miner理論進(jìn)行疲勞壽命的估計(jì)。首先作如下假設(shè)：

a）每一級(jí)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷是其循環(huán)次數(shù)線性累加的結(jié)果；

b）每一級(jí)應(yīng)力造成的疲勞損傷都是相互獨(dú)立的，不存在相關(guān)性，當(dāng)累積的損傷量達(dá)到最大值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。

當(dāng)載荷為變幅載荷時(shí)Miner定律的公式［9］可表示為：

其中：D為一個(gè)載荷譜的累積總損傷（當(dāng)D達(dá)到1時(shí)可認(rèn)為產(chǎn)生疲勞破壞），l為應(yīng)力譜級(jí)數(shù)，Ni為對(duì)應(yīng)于第i級(jí)應(yīng)力的形成破壞的循環(huán)次數(shù)，ni為第i級(jí)應(yīng)力發(fā)生的循環(huán)次數(shù)，B為載荷譜塊數(shù)。

結(jié)合表5中計(jì)算得到的直道、彎道和道岔三種工況中各級(jí)載荷作用下的疲勞壽命，通過(guò) Miner公式可以求得直道、彎道和道岔工況的一個(gè)載荷譜總損傷D和載荷譜塊數(shù)B，如表6所示。

表6　直道、彎道和道岔工況的一個(gè)載荷譜總損傷D和載荷譜塊數(shù)B

因本文所取的一個(gè)載荷譜為一年當(dāng)中列車運(yùn)行的載荷譜，所以載荷譜塊數(shù)即對(duì)應(yīng)了列車運(yùn)行的年限。按列車每年運(yùn)行3×105km，則列車運(yùn)行年限與3×105km的乘積即為列車總共可運(yùn)行的公里數(shù)。由此可得：

直道工況列車的疲勞壽命約為6.92年，相當(dāng)于運(yùn)行2.076×106km；

彎道工況列車的疲勞壽命約為6.11年，相當(dāng)于運(yùn)行1.833×106km；

道岔工況列車的疲勞壽命約為3.97年，相當(dāng)于運(yùn)行1.191×106km。

我國(guó)《鐵路動(dòng)車組運(yùn)用維修規(guī)程》里對(duì)于CRH5型動(dòng)車組檢修周期建議，一級(jí)檢修運(yùn)行里程4000 km或48 h、二級(jí)檢修運(yùn)行里程6×104km、三級(jí)檢修運(yùn)行里程1.2×106km、四級(jí)檢修運(yùn)行里程2.4× 106km、五級(jí)檢修運(yùn)行里程4.8×106km。本文的計(jì)算結(jié)果顯示動(dòng)車組車輪輪輞的運(yùn)行壽命在高級(jí)檢修期（三、四、五級(jí)檢修周期）中，因此可以反映此檢修周期是相對(duì)合理的，但是三級(jí)檢修周期距離壽命估計(jì)的結(jié)果較遠(yuǎn)，而且各高級(jí)檢修周期的間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)本文的計(jì)算結(jié)果，并考慮到列車的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，影響車輪使用壽命的因素也非常復(fù)雜，因此建議將三級(jí)檢修里程在保證安全的情況下延長(zhǎng)至1.5×106km，另外，可適當(dāng)減小高級(jí)檢修周期的間隔時(shí)間，比如以一個(gè)二級(jí)檢修周期（6×104km）為間隔，以保障列車運(yùn)行的安全性和可靠性。

4　結(jié) 論

CRH5型高速動(dòng)車組車輪在運(yùn)行的過(guò)程中，直道工況和彎道工況對(duì)列車輪輞壽命的影響較小，疲勞壽命相對(duì)較接近車輪的設(shè)計(jì)壽命，而道岔工況對(duì)列車輪輞的運(yùn)行壽命影響相對(duì)嚴(yán)重。雖然道岔工況在列車總的運(yùn)行過(guò)程中所占的比重較小，但仍需對(duì)道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做進(jìn)一步改進(jìn)，以提高列車車輪整體的使用壽命。依據(jù)計(jì)算結(jié)果建議在保證安全的情況下將三級(jí)檢修周期延長(zhǎng)至1.5×106km，并適當(dāng)減小高級(jí)檢修周期的時(shí)間間隔。

本文的分析結(jié)果可為確定車輪的安全檢修周期提供一定的理論依據(jù)，同時(shí)為進(jìn)一步分析車輪輪輞疲勞裂紋的影響因素和形成機(jī)理提供技術(shù)方法支持。

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Fatigue Life Analysis for Wheel Rim of CRH5 Motor Train Unit

ZHANG Ting-xiu，CHEN Huan-guo，CAI Li，ZHANGWen，CHEN Pei
（School of Mechanical Engineering and Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018）

This paper adopts fatigue life analysis based on finite element method to analyze fatigue life of wheel rim of motor train unit as per domestic and international wheel standards.The load cases of the wheel are determined as per UIC510-5 and BS EN13979 standards，and then the load spectrum in different load cases is established.Stress state of wheels of motor train unit under different working conditions is analyzed with the help of finite element software，and the stress spectrum of the wheel rim is obtained. The fatigue life of wheel rim in different load cases is estimated by combining S-N curve of wheel rim material and Miner’s rule.The results show that the fatigue life of wheel rim is most affected by working conditions of turnout junction，and the influence of straight road and winding road is small.The analysis result provides theoretical basis for security maintenance of motor train unit and also is valuable in practical safe operation of the train.

motor train unit；wheel rim；load spectrum；finite element；fatigue life

U270.12

A

1673-3851（2015）06-0824-05

（責(zé)任編輯：康 鋒）

2014-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金-高鐵聯(lián)合基金項(xiàng)目（U1234207）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51475432）；浙江省省級(jí)國(guó)際科技合作專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（2013C24005）；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LZ13E050003）

張廷秀（1988-），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事機(jī)械零部件可靠性方面的研究。

陳換過(guò)，E-mail：chen8025@126.com