速度對含夾雜物動車車輪輪輞可靠性影響的研究

李雅潔，陳換過，許小芬，張澎湃，陳文華，任學(xué)沖

(1. 浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；2. 中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081； 3. 北京科技大學(xué) 國家材料服役安全科學(xué)中心，北京 100081)

隨著我國快速鐵路車速的不斷提高，列車運行的安全性和可靠性受到了很大的挑戰(zhàn).車輪是保障車輛動力學(xué)性能和行車安全的關(guān)鍵部件，也是列車服役條件最苛刻的部件.車輪的疲勞破壞會對列車安全造成嚴(yán)重的影響.要確保動車的運行安全，車輪必須具有更高的可靠性.

國內(nèi)外學(xué)者一直對車輪可靠性進(jìn)行著相關(guān)理論的研究，取得了相當(dāng)多的成果.馮明飛以線路實測載荷為基礎(chǔ)，在獲得輪-軸相應(yīng)應(yīng)力譜后，利用S-N曲線和Miner損傷法則，完成了輪-軸疲勞當(dāng)量應(yīng)力計算及可靠性壽命預(yù)測[1].張廷秀采用Monte-Carlo法，通過ANSYS軟件對含夾雜物的車輪輪輞進(jìn)行了可靠性靈敏度分析[2].張鵬以擦傷型高速動車組車輪為研究對象,分析了其低溫服役條件下的疲勞可靠性[3].韓文欽等通過K型和B型列車車輪的疲勞試驗，研究了3個應(yīng)力水平、兩種不同材料和結(jié)構(gòu)的車輪疲勞可靠性[4].王新剛等在ANSYS中建立輪軸有限元模型，編制輪軸應(yīng)力譜，結(jié)合線性累積損傷理論進(jìn)行車輪動態(tài)疲勞可靠度計算，得到了其可靠度隨路程變化的關(guān)系曲線[5].王強(qiáng)等通過試驗研究了D1車輪鋼輪輞、輪輻材料的疲勞可靠性壽命和強(qiáng)度[6].

雖然很多高效高精度的分析方法被用于分析車輪的可靠性，但是含夾雜物車輪輪輞的可靠性研究還缺少相關(guān)的方法指導(dǎo).本文主要針對CRH5型動車組車輪，首先進(jìn)行軌道車輛動力學(xué)仿真和有限元仿真，得到含夾雜物動車車輪輪輞危險部位的應(yīng)力時間歷程；然后對得到的不同速度下應(yīng)力時間歷程進(jìn)行雨流計數(shù)統(tǒng)計，并對不同速度下含夾雜物動車車輪輪輞的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分布擬合，根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的概率疲勞可靠性曲線得到結(jié)構(gòu)局部的疲勞強(qiáng)度分布；最后基于應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型求出不同速度下含夾雜物動車車輪輪輞的可靠度，為列車的安全性維護(hù)提供一定的指導(dǎo).

1 軌道車輛動力學(xué)分析

1.1 軌道車輛動力學(xué)建模

為了準(zhǔn)確了解軌道車輛的動力學(xué)性能，必須在建立軌道車輛的物理模型后對其進(jìn)行動力學(xué)分析.以CRH5型動車為研究對象，根據(jù)其動力學(xué)參數(shù)，用SIMPACK軟件建立車輛動力學(xué)模型(圖1).其整個模型由1個車體、2個構(gòu)架、4個輪對以及一系懸掛、二系懸掛等組成.它適用于XP55型踏面、60 kg/m的鋼軌.

圖1 車輛動力學(xué)模型

1.2 軌道車輛動力學(xué)仿真

1.2.1 工 況

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[7]和線路實際情況，在仿真計算時選取有代表性的曲線工況進(jìn)行動力學(xué)計算，通過組合直線工況[8]，最終形成所需要的輪軸載荷譜.這里，速度選取100 km/h和200 km/h兩檔，線路總長度選取4 000 m，其中，直線線路長度為2 200 m，占所選取總線路的55%.工況組合情況如表1所示.

表1 工況組合情況 m

注：正、負(fù)分別代表選取線路的左曲線和右曲線.

1.2.2 各工況載荷譜計算結(jié)果

以速度100 km/h為例，在工況為直線時，用SIMPACK軟件進(jìn)行動力學(xué)仿真，并選取第二輪對的右輪進(jìn)行分析，得到直線工況下輪軌垂向力和橫向力隨時間的變化情況(圖2).同理，可得到不同曲線半徑下輪軌垂向力和橫向力隨時間的變化情況.

(a)輪軌垂向力

(b)輪軌橫向力圖2 100 km/h時直線工況下輪軌載荷情況

1.2.3 塊載荷譜

對各種工況計算的結(jié)果進(jìn)行組合，以速度100 km/h為例得到的一個塊載荷譜如圖3所示.

2 含夾雜物動車車輪輪輞瞬態(tài)動力學(xué)分析

為模擬夾雜物對輪輞應(yīng)力場的影響，在參考文獻(xiàn)[9]結(jié)論的基礎(chǔ)上假設(shè)：①車輪與輪軌接觸點正上方某處存在夾雜物；②含夾雜物處與周圍單元的材料特性不一致，故可通過改變材料常數(shù)(彈性模量、泊松比)模擬夾雜物對輪輞的影響[10].

對車輪輞裂的失效分析發(fā)現(xiàn)，車輪輪輞裂紋一般起源于踏面下方10～20 mm處.雖然實際中夾雜物大小不等，但為研究方便，本文在踏面下方距踏面10 mm處建立半徑為100 μm的球形Al2O3夾雜物進(jìn)行研究.CRH5型動車組車輪輪輞和Al2O3夾雜物的材料參數(shù)如表2所示.

(a)輪軌垂向力

(b)輪軌橫向力圖3 100 km/h時輪軌的一個塊載荷譜

根據(jù)輪軸結(jié)構(gòu)對稱的特點，在有限元軟件ANSYS中建立四分之一輪軸有限元模型.圖4為放大的夾雜物及車輪有限元模型.

2.1 危險點應(yīng)力時間歷程獲取

根據(jù)不同速度下的塊載荷譜，在動車組輪軸的有限元模型中進(jìn)行瞬態(tài)計算，分別計算含夾雜物動車車輪在輪軌橫向力和垂向力作用下的應(yīng)力.某時刻夾雜物周圍的應(yīng)力分布情況如圖5所示.100 km/h和200 km/h速度下的夾雜物周圍危險點應(yīng)力時間歷程如圖6所示.

(b)速度200 km/h圖6 100 km/h、200 km/h時危險點應(yīng)力時間歷程

2.2 危險點應(yīng)力雨流計數(shù)統(tǒng)計

隨機(jī)載荷和應(yīng)力時間歷程都是不規(guī)則不能重復(fù)且隨時間發(fā)生變化的，對零部件進(jìn)行疲勞可靠性分析時只能使用統(tǒng)計分析方法[11].塊載荷譜作用下得到的夾雜物周圍危險點應(yīng)力時間歷程不能直接用于可靠性分析，需要對其進(jìn)行雨流計數(shù)統(tǒng)計，從而得到不同速度下的應(yīng)力塊譜(表3).

表3 不同速度下的應(yīng)力雨流計數(shù)統(tǒng)計

3 不同速度下含夾雜物動車車輪輪輞可靠性分析

3.1 應(yīng)力分布的確定

在數(shù)據(jù)擬合中，數(shù)據(jù)下界和組距的確定將直接影響數(shù)據(jù)的擬合效果，因此需要進(jìn)行無效幅值處理[12-13]，在雨流計數(shù)統(tǒng)計循環(huán)之后，對不會造成疲勞損傷的小幅值應(yīng)力值進(jìn)行過濾，然后在Matlab中對不同速度下含夾雜物動車車輪輪輞應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分布擬合.

正確選擇正態(tài)分布類型能夠準(zhǔn)確描述含夾雜物動車車輪輪輞的應(yīng)力數(shù)據(jù)分布.速度為100 km/h時其應(yīng)力正態(tài)分布類型(均值，方差)為(183.324,88.132)，速度為200 km/h時其應(yīng)力正態(tài)分布類型(均值，方差)為(187.395,86.487).

速度為100 km/h和200 km/h時，含夾雜物動車車輪輪輞的應(yīng)力擬合情況如圖7所示.

(a)速度100 km/h

(b)速度200 km/h圖7 100 km/h、200 km/h時的應(yīng)力擬合情況

3.2 強(qiáng)度分布的確定

根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的概率疲勞可靠性曲線[14]，可得到不同期望壽命Nexp下結(jié)構(gòu)材料的疲勞強(qiáng)度分布：

(1)

當(dāng)Nexp≤NT時：

(2)

當(dāng)Nexp>NT時：

(3)

式中：Sa為分布的樣本值；SC為分布的殘差；Sa,av為分布的均值；Sa,rms為分布的均方差；NT為中短壽命區(qū)向超長壽命區(qū)過渡的轉(zhuǎn)折點；Km,av為結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的均值修正系數(shù)；lgN為對數(shù)壽命；Am、Bm、Amm、Bmm均為均值對數(shù)壽命與對數(shù)強(qiáng)度關(guān)系曲線的材料常數(shù)；nf為確定疲勞可靠性曲線的試樣數(shù)；Km,rms為結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的均方差修正系數(shù)；sr為殘余標(biāo)準(zhǔn)差；t1-c指t分布.

從式(1)～(3)可得到不同期望置信度、期望壽命下結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度水平(表4).

表4 不同期望置信度、期望壽命下結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度水平

3.3 不同速度下的疲勞可靠度

應(yīng)力與強(qiáng)度均呈正態(tài)分布.由應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型可以求出不同速度下含夾雜物動車車輪輪輞的可靠度(R)[15]，即：

(4)

式中：μS、μδ分別為應(yīng)力幅值S及強(qiáng)度δ的均值；σS、σδ分別為應(yīng)力幅值S及強(qiáng)度δ的標(biāo)準(zhǔn)差.

根據(jù)式(4)，可計算出不同速度下含夾雜物動車車輪輪輞的可靠度(表5).

由表5可知，置信度為50%且期望壽命為1×106的情況下，當(dāng)速度為100 km/h時，含夾雜物車輪輪輞可靠度為0.956 0；當(dāng)速度為200 km/h時，含夾雜物車輪輪輞可靠度為0.954 6.這也就是說，隨著速度的提高，車輪輪輞可靠度會降低.

在速度為100 km/h且置信度為50%的情況下，當(dāng)期望壽命為1×106時，含夾雜物車輪輪輞可靠度為0.956 0；當(dāng)期望壽命為1×108時，含夾雜物車輪輪輞可靠度為0.819 1.這也就是說，隨著期望壽命的提高，車輪輪輞可靠度會明顯降低.

在速度為100 km/h且期望壽為1×106的情況下，當(dāng)置信度為50%時，含夾雜物車輪輪輞可靠度為0.956 0；當(dāng)置信度為90%時，含夾雜物車輪輪輞可靠度為0.908 5；當(dāng)置信度為99%時，含夾雜物車輪輪輞可靠度為0.830 4.這也就是說，隨著置信度的提高，車輪輪輞可靠度會明顯降低.

4 結(jié)束語

(1)通過軌道車輛動力學(xué)仿真和有限元仿真，得到了含夾雜物動車車輪輪輞危險點的應(yīng)力時間歷程.用對數(shù)正態(tài)分布對不同速度下含夾雜物動車車輪輪輞的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行了分布擬合.

(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的概率疲勞可靠性曲線得到了動車結(jié)構(gòu)局部的疲勞強(qiáng)度分布.基于應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型求出了不同速度下含夾雜物動車車輪輪輞的可靠度.

(3)隨著動車速度的提高，含夾雜物車輪輪輞的可靠性明顯降低，而且不同的置信度和期望壽命，對含夾雜物動車車輪輪輞可靠性影響很大.

(4)研究結(jié)果為進(jìn)一步分析輪軸系統(tǒng)的可靠性以及提高列車運行的安全性提供了一定的指導(dǎo).

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