鐵路機車車輪輻板疲勞分析

肖 峰，張澎湃，劉 智，桂興亮

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪公司，安徽馬鞍山243000；2.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京100081)

鐵路機車車輪輻板疲勞分析

肖 峰1，張澎湃2，劉 智1，桂興亮1

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪公司，安徽馬鞍山243000；2.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京100081)

針對機車車輪源于銹蝕坑的輻板疲勞斷裂，參照AAR S-669標準，按照Sines準則，并考慮熱載荷、拋丸殘余應力和表面缺陷的影響，使用有限元軟件ANSYS進行疲勞分析。結果表明：車輪的結構設計符合AAR S-669的要求；若車輪無表面缺陷，即使車輪未經(jīng)拋丸處理且承受大的熱載荷，也不可能發(fā)生疲勞；若車輪有表面缺陷且承受大的熱載荷，隨著應力集中系數(shù)的提高，將可能發(fā)生疲勞。

車輪；輻板；失效；疲勞；有限元

車輪是鐵路車輛行走的關鍵部件，運行中受到輪軌間相互作用，踏面制動車輪還會承受制動熱載荷。在機械和熱載荷下，車輪輻板的某些部位可能產生較高的應力，因此在車輪設計時，需要評價車輪輻板的靜強度和疲勞強度。車輪輻板靜強度和疲勞強度的評價可采用有限元分析方法，即針對特定形狀和尺寸的車輪，在給定材料性能、邊界約束和載荷工況等條件下，按照某一有限元分析模型計算各種載荷工況下車輪輻板的應力分布和大小，然后按照特定準則評定車輪是否發(fā)生屈服和疲勞失效。一些國家和地區(qū)制定了相應標準，如歐洲標準EN13979-1[1]、國際鐵路聯(lián)盟標準UIC 510-5[2]、北美鐵道協(xié)會標準AAR S-660[3]和AAR S-669[4]等。但現(xiàn)行標準在疲勞分析評價時均未考慮踏面制動熱載荷、車輪輻板拋丸殘余應力和表面缺陷的影響。為此，文中針對一件采取踏面制動、輻板經(jīng)過拋丸處理并存在銹蝕坑、在美國運行時發(fā)生輻板疲勞斷裂的車輪，參照AAR S-669標準，考慮熱載荷、拋丸殘余應力和表面缺陷的影響，使用有限元軟件ANSYS進行疲勞分析。

1 失效車輪基本情況

一件按AAR標準生產，規(guī)格為D42(新輪直徑為1 067 mm)，輪輞磨耗接近報廢的的機車車輪發(fā)生輻板斷裂。失效模式為：車輪運行過程中，輻板內側面靠近輪輞圓弧處(具體位置見圖1)的銹蝕坑在交變應力作用下，萌生周向裂紋并逐步擴展，直到最后發(fā)生快速斷裂，斷口形貌見圖2。

實驗結果顯示，失效車輪斷口組織和非金屬夾雜物正常。輪輞取樣檢驗，化學成分、顯微純凈度和硬度均符合產品標準AAR M-107/M-208的要求。輻板取樣檢驗，抗拉強度和顯微硬度正常。但失效車輪存在輻板拋丸覆蓋不充分現(xiàn)象。

2 有限元計算方法及參數(shù)設置

2.1 有限元模型的建立

將車輪CAD二維圖導入ANSYS軟件中。用Plane77單元進行二維熱應力分析，用Plane83單元進行二維機械應力分析。Plane77是二維8節(jié)點熱實體單元，是二維4節(jié)點熱單元Plane55的高階版本，每個節(jié)點只有1個自由度—溫度[5]。8節(jié)點單元具有一致的溫度形函數(shù)，可較好地適應具有曲線邊界的模型[2]，故Plane77單元適用于車輪的二維熱分析。Plane83單元用于承受非軸對稱載荷的二維軸對稱結構的建模，此單元是二維4節(jié)點單元Plane25的高階版本，有8個節(jié)點，每個節(jié)點有3個自由度，可以適應不規(guī)則形狀而較少損失精度，故Plane83單元適用于車輪的二維機械應力分析。

新車輪及磨耗到限車輪對應的有限元模型分別見圖3，4。新車輪共劃分單元1 268個，節(jié)點4 086個，磨耗到限車輪劃分單元1 009個，節(jié)點3 299個。

計算所用材料物理屬性包括對流系數(shù)、比熱、導熱系數(shù)、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)等，在AAR S-669標準中均有規(guī)定。

2.2 Sines準則

通過計算車輪某一位置的Sines參數(shù)(SP)來評價其疲勞性能。靜態(tài)或殘余應力與交變應力疊加作用下的Sines參數(shù)為

當SP＜0時，表示分析位置疲勞強度滿足Sines準則，即不產生疲勞裂紋；當SP＞0時，表示分析位置疲勞強度不滿足Sines準則，易于產生疲勞裂紋。

2.3 載荷

在AAR S-660標準中，對于直徑≥1 016 mm機車車輪，規(guī)定的載荷：垂向載荷(V1，V2)和橫向載荷(L1)分別為317 520，158 760 N，踏面輸入的熱載荷(Th)為27.59 kW，作用時間為1 200 s，載荷加載位置見圖5。

除按照AAR S-669標準規(guī)定計算新輪與磨耗車輪在V1+L1和V22種載荷工況下的應力外，文中增加計算新輪與磨耗車輪在V1+L1+Th及V2+Th2種載荷工況下的應力。

2.4 實際殘余應力和銹蝕坑應力集中效應的考慮

實際使用的車輪熱處理后還經(jīng)歷全表面機加工和輻板強化拋丸處理。車輪輻板殘余應力并非僅是熱處理殘余應力，為使計算符合實際，在疲勞源處取樣測試殘余應力，以測試的殘余應力值代替式(1)中熱處理殘余應力。采用Proto-iXRD型X射線應力分析儀測試殘余應力，檢測過程執(zhí)行ASTM E915—2010， EN 15305—2008及GB 7704—2008標準。對于失效車輪，測得P點銹蝕坑底部殘余應力為+70 MPa（正號代表拉應力）；對于新車輪，測得P點表面殘余應力為-300 MPa（負號代表壓應力）。

在零件尺寸突然改變處的橫截面上，應力不是均勻分布。在圓孔或切口附近的局部區(qū)域內，應力劇烈增加，但在離開圓孔或切口稍遠處，應力會迅速降低而趨于均勻，此現(xiàn)象為應力集中[6-7]。理論應力集中系數(shù)可用有限元方法計算，且計算結果準確度高[8-9]。失效車輪輻板銹蝕坑，深約0.5 mm，長軸1 mm，短軸0.5 mm，其形貌介于圓孔或切口之間。陳定海等[10]使用有限元軟件ANSYS對類似形貌的半橢球銹蝕坑應力集中系數(shù)進行分析，得出其應力集中系數(shù)約2.06。由于真實銹蝕坑形貌復雜，一些銹蝕坑的實際應力集中系數(shù)可能更高[11]，故文中取應力集中系數(shù)2.0，2.5，3.0，將其分別寫入后處理程序中進行計算，分析銹蝕坑對車輪疲勞性能的影響。

3 結果及分析

按AAR S-669標準計算V1+L1，V2，V1+L1+ Th，V2+Th等4種載荷工況下的SP，所得輻板各處SP值均為負值，其中P點SP見表1。

由表1可見，P點SP值為負數(shù)，且其絕對值遠大于零。說明表面不拋丸、無銹蝕坑車輪的P點，即使在車輪磨耗到限且有熱載荷作用的條件下，疲勞強度依然滿足使用要求。對于輻板表面拋丸、無銹蝕坑車輪，采用實際測得表面殘余應力代替有限元計算得到的熱處理殘余應力，計算結果見表2。

表1 按AAR S--669標準計算得到P點SPTab.1 SPvalue of P position calculated according to AAR S--669 standard

對于輻板表面拋丸、有銹蝕坑車輪，采用實際測得的P點銹蝕坑深度處的殘余應力代替有限元計算得到的熱處理殘余應力，并將其他應力項乘以應力集中系數(shù)，計算結果見表3。

表2 無銹蝕坑車輪、考慮實測殘余應力的計算結果Tab.2 Results of wheels without corrosion pit and with measured residual stress

表3 有銹蝕坑車輪、考慮實測殘余應力和應力集中系數(shù)的計算結果Tab.3 Results of wheels with corrosion pit,and with measured residual stress and stress concentration factors

由表1，2可知，拋丸產生的表面殘余壓應力使SP的絕對值增大，因此疲勞安全系數(shù)變大。由表2可知：對于只有機械載荷的工況C3和C4，即使在P點銹蝕坑的應力集中系數(shù)取較大值3.0，SP值均小于0，且絕對值遠大于零。說明若無熱載荷，無論新輪和磨耗輪，輻板表面銹蝕坑處都不會發(fā)生疲勞；對于機械載荷與熱載荷組合的工況C5～C10，隨著銹蝕坑應力集中系數(shù)逐漸增大，SP值逐步由負值變?yōu)檎怠Ｕf明受熱載荷的影響，加上銹蝕坑底部的殘余應力變?yōu)槔瓚蛻行?，車輪疲勞性能變得不安全；比較工況C5與C6，C7與C8，C9與C10發(fā)現(xiàn)，在相同機械載荷和熱載荷組合及相同銹蝕坑應力集中系數(shù)條件下，磨耗輪的SP比新輪的大，說明磨耗輪比新輪更易發(fā)生疲勞。

4 結 論

1)根據(jù)AAR S-669標準對失效車輪進行疲勞分析，結果表明車輪結構設計符合AAR S-669標準的要求。

2)若車輪無表面缺陷，即使車輪未經(jīng)拋丸處理且承受大的熱載荷，也不可能發(fā)生疲勞；若車輪有表面缺陷且承受大的熱載荷，隨著應力集中系數(shù)的提高，將可能發(fā)生疲勞。

3)在相同機械載荷與熱載荷組合、相同銹蝕坑應力集中系數(shù)的條件下，磨耗車輪比新車輪更易發(fā)生疲勞。

[1]CEN/TC 256.EN 13979-1:2003 Railway Applications-wheelsets and Bogies-monobloc Wheels-technical Approval Procedure-Part 1:Forged and rolled wheels[S].Brussels:European Committee for Standardization,2003:1-45.

[2]International Union of Railways.UIC 510-5-2007 technical approval of monobloc wheels[S]//Application Document for Standard EN 13979-1.Paris:Railway Technical Publications ETF,2007:1-40.

[3]AAR WABL Committee.AAR S-660:2009 Wheel Designd,Locomotive and Frright Car-analytic Evaluation Standard[S].Washington,DC:Association ofAmerican Railroads,2009:237-241.

[4]AAR WABL Committee.AAR S-669:2012 Analytic Evaluation of Locomotive Wheel Designs Standard[S].Washington DC:Association ofAmerican Railroads,2012:125-142.

[5]王金龍，王清明，王偉章.ANSYS 12.0有限元分析與范例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010:165.

[6]劉鴻文.材料力學[M].4版.北京：高等教育出版社，2004:344.

[7]Beer F P,Jr Johnston E R.Mechanical of Materials[M].Six Edition.USA,McGraw Hill,2012:115-116.

[8]朱曉東,覃啟東.基于ANSYS平臺含圓孔薄板的應力集中分析[J].蘇州大學學報(工科版)，2004,24(5):51-53.

[9]Enab TA.Stress concentration analysis in functionally graded plates with elliptic holes under biaxial loadings[J].Ain Shams Engineering Journal,2014,5(3):1-12.

[10]陳定海，穆志韜，田述棟，等.腐蝕坑應力集中系數(shù)影響分析[J].新技術新工藝，2012(7):97-99.

[11]Dedmon S L.The relationship between design,processing and shot peening on wheel plate failures[C]//Proceedings of the 2014 Joint Rail Conference.Colorado,USA,2014:1-7.

責任編輯：何莉

FatigueAnalysis of Railway Locomotive Wheel’s Plate

XIAO Feng1,ZHANG Pengpai2,LIU Zhi1,GUI Xingliang1
(1.Wheel Company,Ma'anshan Iron&Steel Co.Ltd.,Ma'anshan 243000，China;2.Institute of Metal&hemistry, ChinaAcademy of Railway Sciences,Beijing 100081，China)

For the fatigue fracture of locomotive wheel resulting from a corrosion pit on the plate,the fatigue analysis was performed by applying the Sines criterion referring to AAR S-669 standard,as well as taking thermal loading and peening residual stress and surface defect into account.Results show that the structure design of this wheel satisfies the requirement of AAR S-669.If there is no defect on the surface,the fatigue cannot happen under great thermal load even though the plate is not peened;if there are defects on the surface,the fatigue is predicted under great thermal load as the stress concentration factor of the surface defect rises.

wheel;plate;failure;fatigue;finite element method

U270.33;TB122

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.04.005

2015-08-29

肖峰(1967-)，男，湖南懷化人，高級工程師，主要研究方向為鐵路用輾鋼車輪相關技術及質量管理。

1671-7872(2015)-04-0320-05