高速動車組輪軸疲勞強度探析

李旻昊

（智奇鐵路設備有限公司，山西 太原 030032）

高速動車組輪軸疲勞強度探析

李旻昊

（智奇鐵路設備有限公司，山西 太原 030032）

高速動車組目前正常運營最高時速已可達到350km/h，動車組的高速運行也對其各個部件的服役狀態(tài)提出更高要求，其運行的安全性與穩(wěn)定性也越來越受到人們的重視。文章所要探討的是直接傳遞輪軌作用力的輪對部件，它們作為車輛運行中關鍵的走行部件，在動車組高速運行過程中經(jīng)受隨機荷載，其金屬疲勞不斷累積。文中分析隨機載荷作用下高速動車組輪對的疲勞壽命預測方法及計算過程，希望為動車組科學維護修理、長期穩(wěn)定運行提供理論參考。

動車組；輪對；疲勞強度；隨機荷載；壽命

高速動車組具有較高的車輛運行速度，所以它的安全可靠性格外受人關注。從輪對的疲勞強度層面來看，它的疲勞破壞會隨車輛運行時間的增加而不斷累積，輪對承受的水平與垂直動荷載不斷加劇，造成輪對疲勞失效狀況，即輪軸損傷，這也是鐵路機車車輛發(fā)生重大事故的根本導火索。為了能夠真實反映輪對在運行過程中所承受的隨機荷載作用以及疲勞影響，對其進行隨機荷載疲勞壽命預測及計算是非常有必要的，它能夠為高速動車組的輪軸疲勞壽命延續(xù)提供技術參考依據(jù)。

1 應力疲勞理論分析

由車輛系統(tǒng)高速運行所帶來的疲勞是一種循環(huán)應力，而根據(jù)循環(huán)應力的大小，還可以將其劃分為應力疲勞和應變疲勞。如果最大循環(huán)應力小于屈服應力，那么就會構成應力疲勞。應力疲勞的循環(huán)應力水平是較低的，而壽命循環(huán)次數(shù)則非常高（106次以上），所以說它也被稱為高周疲勞。對應力疲勞的壽命計算主要通過S-N曲線來得出，S-N曲線所表示的就是外加應力水平與標準應力疲勞壽命之間的關系曲線函數(shù)。考慮到疲勞試驗數(shù)據(jù)都存在一定的離散性，所以高速動車組的輪對疲勞壽命一定和應力水平相關，但二者之間的關系并非是一一對應的單值關系。以下用曲線函數(shù)來表示平均應力對輪對的具體影響，見圖1。

圖1 輪對平均應力曲S-N曲線函數(shù)圖

圖1所示為平均應力對輪對疲勞壽命的影響變化。當平均應力為負值時所體現(xiàn)的就是壓應力，它能夠提高輪對的疲勞壽命；而如果平均應力為正值時它應該為拉應力，此時輪對疲勞壽命就會相應降低。

2 壽命預測方法分析

目前對高速動車組車軸、車輪即輪對部分的疲勞壽命預測一般采用FE-Fatigue法。它的方法實施流程如下：首先在有限元分析軟件中依據(jù)輪對的實際服役狀況給出輪對應力結果文件，再根據(jù)輪對的單獨載荷設置來明確載荷步，讓結果文件中包含對載荷步的結果數(shù)據(jù)。此時通過動力學分析軟件來為輪對疲勞壽命分析構建動力學模型，根據(jù)高速動車組的運行線路來確定對輪對疲勞壽命預測的計算工況，以計算輸出結果來畫出輪對載荷時間的歷程曲線，再把應力結果文件導入到有限元分析軟件當中，將其再次轉(zhuǎn)化為損傷計算文件，并同時編輯材料S-N曲線，得出疲勞參數(shù)結果，了解輪對的損傷結果與壽命結果。為了進一步了解高速動車組車輪車軸的輪對載荷及疲勞強度，還要繼續(xù)給出輪對的載荷時間歷程曲線，對輪對的疲勞壽命進行進一步計算。

2.1 計算輪對載荷時間歷程曲線

高速動車組的輪對載荷時間歷程主要涉及輪對疲勞載荷譜，獲得它主要有兩種方法：①通過動車組實際線路測試，調(diào)查輪對軸頸上的橫向與垂向載荷時間曲線；②根據(jù)動力學的仿真計算來獲取。一般來說，目前采用第二種方法較多，因為它具有極高的經(jīng)濟適應性，也能夠較為精確的反映出車輪車軸輪對在動車組高速運轉(zhuǎn)過程中的實際受力狀況。只需要對其受力狀況進行分析，配合載荷譜簡單處理就能直接投入使用。

根據(jù)某一高速動車組為例，為它建立動力學模型，并計算它所運行線路軌道的軌道譜作為基本激擾參考，在計算后輸出輪軌輪對的橫向載荷時間歷程。動車組輪對曲線半徑與限制速度之間的數(shù)據(jù)對照表格，見表1。

表1 某高速動車組輪對曲線半徑與限制速度之間的數(shù)據(jù)對照表

以上真實反映了高速動車組輪對的實際受力情況，證明該動車組在曲線半徑為4500m以下的線路必須限速行駛，它的具體限速計算公式為：

2.2 計算輪對疲勞壽命

在對載荷時間歷程計算之后，就要計算將載荷部步結果文件導入到有限元分析軟件中，實現(xiàn)對每一個載荷時間歷程的對應設計，最后構建輪對應力疲勞分析模型。計算輪對的疲勞壽命及損傷結果。一般來說，在輪對疲勞壽命計算中所選取的載荷譜時間要根據(jù)載荷時間歷程來定，并由載荷譜時間長度來折合計算動車組實際運行的里程數(shù)。通常情況下車軸壽命都會大于車輪壽命，而且絕大部分（超過99.9%）的車輪壽命都應該在1000萬公里以上。在這里，要運用到輪對疲勞壽命與過盈量曲線的關系比，所謂過盈量就是指車輪車軸與軌道結合的緊密程度，它的決定因素包括了動車組運行的實際速度，以及輪對與軌道之間的各種隨機應力負荷關系。因此，基于對輪對疲勞壽命的計算分析可以簡單總結以下4點內(nèi)容。

（1）過盈量增加，動車組的車軸疲勞壽命就會下降，這種關系在動車組高速運行時體現(xiàn)的非常明顯，且會隨著運行里程的增加而越來越明顯。從細節(jié)來看，動車組的輪座位置過渡圓弧處是受損害最大的位置。

（2）過盈量的增加對車輪的疲勞壽命影響不大，其損傷的位置基本出現(xiàn)于輻板與輪轂的過渡圓弧位置，當該圓弧處半徑越大時，過盈量增加越快，對輪對的疲勞壽命影響也就越明顯。

（3）動車組在高速運行時其車軸損傷最明顯的位置當屬輪座位置，這是因為動車車軸輪座位置多位于車軸的凹槽處，一般列車在設計上要求輪座位置直徑比應該大于1.12，如果小于這一數(shù)值就會在動車組高速運行過程中集中大量應力，導致其出現(xiàn)較大損傷。所以說在對列車輪對校核過程中必須首先關注輪座位置。在設計車輪輪座時盡量不要采用小半徑圓弧，以避免應力過度集中現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）在對輪對實施靜強度分析過程中，可以得到車軸應力的最大位置，它主要位于車軸的中空孔內(nèi)表面，它的產(chǎn)生來源于過盈配合。在疲勞強度計算中，要注意輪對疲勞損傷的主要形成原因，明確是應力幅值導致了它損傷程度的變化。應力幅值越小，輪對的疲勞強度越小，疲勞損傷也就越小，車輪車軸的使用壽命也就越長。

3 結束語

文章基于FE-Fatigue法及有限元分析軟件對高速及動車組的輪對疲勞強度、壽命進行了預測和計算，明確了車輪車軸在動車組高速運行過程中產(chǎn)生疲勞消耗的原因。同時也研究了過盈量對輪對疲勞壽命的具體影響，證明了過盈量的增加對車輪車軸疲勞壽命的下降趨勢。

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U266

A

2096-2789（2016）11-0092-02