基于ANSYS的火車車輪靜強度及疲勞強度有限元分析

童樂 劉學(xué)華 張艷 鐘斌

摘? 要：火車車輪在行駛過程中承受著不同工況下的載荷作用，車輪的設(shè)計強度不足則極易產(chǎn)生疲勞損傷等問題，故在最初的輪型設(shè)計階段有必要開展車輪結(jié)構(gòu)適用性分析，對所設(shè)計的車輪強度進行校核。文章采用ANSYS軟件對某型號車輪開展不同工況下的有限元分析，根據(jù)所得該車輪相應(yīng)的應(yīng)力分布情況，對其靜強度與疲勞強度進行了校核分析，為輪型設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：火車車輪;靜強度;疲勞強度;ANSYS;靜力學(xué)分析

中圖分類號：U270.33 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）14-0012-03

Abstract： In the course of running， the train wheel is subjected to loads under different working conditions， and fatigue damage is easily caused by insufficient design strength of the wheel. Therefore， it is necessary to carry out the applicability analysis of wheel structure in the initial stage of wheel design and check the design strength of the wheel. In this paper， ANSYS software is used to carry out finite element analysis of a certain type of wheel under different working conditions. According to the corresponding stress distribution of the wheel， the static strength and fatigue strength of the wheel are checked and analyzed， which provides a basis for wheel design.

Keywords： train wheel; static strength; fatigue strength; ANSYS; static analysis

前言

車輪是軌道交通車輛走行部分中關(guān)鍵零部件之一，承受著來自多方面的復(fù)雜的應(yīng)力作用，例如，車輪、車軸是通過過盈配合的方式壓裝成輪對，輪軸裝配部位不可避免的會產(chǎn)生應(yīng)力作用，形成輪軸裝配應(yīng)力，在軌道交通車輛實際運行過程中，由于運行線路地形復(fù)雜，車輪承受著不同工況下軌道對其賦予的不同形式的動態(tài)載荷，形成復(fù)雜的動態(tài)應(yīng)力。不僅如此，車輛頻繁的啟動、剎車制動、拐彎、上坡等行為也對車輪所受到的應(yīng)力作用產(chǎn)生很大影響。當前，高速度、大載重是軌道交通車輛快速發(fā)展的方向，輪軌之間的作用力也隨之不斷增長[1-2]，因此車輪承受的應(yīng)力作用變得更加復(fù)雜，車輪的設(shè)計強度很可能無法滿足實際使用要求，車輪疲勞損傷等運行可靠性問題日益凸顯。因此，車輪在最初的輪型設(shè)計階段有必要開展結(jié)構(gòu)適用性分析，對車輪的設(shè)計強度進行校核[3-4]。文獻[5]僅對車輪的靜強度做了分析，且其車輪為直輻板，本文研究的車輪采用的是S型輻板。

目前，車輪強度校核主要是指依據(jù)UIC5l0-5標準和BS EN 13979-1標準進行車輪靜強度和疲勞強度的校核分析，標準主要內(nèi)容大致相同，對車輪在實際運行線路中普遍存在的直線工況、曲線工況和道岔工況進行了相關(guān)描述，并給出了對應(yīng)不同工況所施加載荷大小的計算方法以及施加位置，同時對車輪有限元分析結(jié)果評價準則和方法也做出了規(guī)定[5-6]。

本文以典型的貨運鐵路車輛非動力整體車輪為研究對象，應(yīng)用有限元仿真軟件ANSYS建立磨耗到限車輪的有限元模型，依據(jù)相關(guān)標準給出的載荷計算方法、施加位置和計算結(jié)果評定準則，建立車輪的靜強度和疲勞強度校核有限元計算模型，獲得不同工況下車輪的應(yīng)力分布情況，對靜強度和疲勞強度進行校核分析，為輪型設(shè)計提供依據(jù)。

1 車輪有限元模型的建立

以某典型的S型輻板車輪為研究對象，建立合理的有限元法分析計算模型，其模型包括車輪、車軸：（1）車軸模型可以采用不影響計算結(jié)果的簡化車軸，需要考慮過盈配合對結(jié)構(gòu)強度的影響，按平均過盈量0.3mm進行計算;（2）車輪輪徑取磨耗到限尺寸、輻板取最小厚度、其他按名義尺寸取值計算。

1.1 基本參數(shù)和材料屬性

1.2 載荷工況及加載位置

UIC510-5標準中規(guī)定了適用于車輪強度分析的載荷工況，主要分為常規(guī)載荷工況和超常載荷工況兩種類型[7]。

常規(guī)載荷工況下的直線、曲線和道岔3種情形的載荷分別為：FZ;FZ，F(xiàn)y2;FZ，F(xiàn)y3。超常載荷工況按照常規(guī)載荷工況的3種情形的加載位置施加載荷，同樣是分別施加分別計算，共計6個載荷工況。

1.3 評定準則

2 計算結(jié)果及分析

火車車輪主要包括踏面、輪輞、輪緣、輻板和輪轂等部位，如圖4所示。

2.1 超常載荷工況靜強度分析

利用Ansys計算得出超常載荷工況的3種情形下某型號磨耗到限車輪的等效應(yīng)力分布情況，如圖5所示。

計算結(jié)果表明：直線工況下，等效應(yīng)力最大值是299MPa，位于輪轂內(nèi)側(cè)面圓角處;曲線工況下，等效應(yīng)力最大值是203MPa，位于輪轂內(nèi)側(cè)面圓角處;道岔工況下，等效應(yīng)力最大值是310MPa，位于輪輞外側(cè)面圓角處，均小于許用應(yīng)力。

2.2 常規(guī)載荷工況疲勞強度分析