地鐵車(chē)輛全磨耗車(chē)輪輻板的疲勞強(qiáng)度研究

王景振

摘要：地鐵車(chē)輛車(chē)輪在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，受其自身轉(zhuǎn)動(dòng)及在直線、曲線、道岔等工況下的交變載荷，會(huì)產(chǎn)生車(chē)輪輻板的多軸交變應(yīng)力。在軌道車(chē)輛車(chē)輪輻板上，疲勞裂紋方向均沿車(chē)輪的周向方向呈現(xiàn)，該種疲勞裂紋是由與該裂紋垂直的徑向應(yīng)力為主要原因所致，則將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)地鐵車(chē)輛全磨耗車(chē)輪輻板進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算和疲勞分析。結(jié)果表明，車(chē)輪輻板均滿足靜強(qiáng)度要求和疲勞輕度要求。根據(jù)分析情況，為地鐵車(chē)輛車(chē)輪的日常檢修的重點(diǎn)部位提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛;全磨耗車(chē)輪;疲勞分析;車(chē)輛檢修

0? 引言

隨著地鐵車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，車(chē)輪在復(fù)雜工況條件下會(huì)受到多軸交變應(yīng)力。在軌道車(chē)輛車(chē)輪輻板上，疲勞裂紋方向均沿車(chē)輪的周向方向呈現(xiàn)，該種疲勞裂紋是由與該裂紋垂直的徑向應(yīng)力為主要原因所致，則將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力。主要計(jì)算全磨耗車(chē)輪（Φ770）在不同運(yùn)行工況下的車(chē)輪機(jī)械疲勞強(qiáng)度，考查的指標(biāo)主要有車(chē)輪輻板各位置的等效應(yīng)力、主應(yīng)力幅值及均值。

1? 車(chē)輪數(shù)值計(jì)算模型

1.1 車(chē)輪有限元模型

數(shù)值分析模型取單個(gè)全磨耗車(chē)輪模型，車(chē)輪踏面為L(zhǎng)M型。在對(duì)車(chē)輪進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，約束車(chē)輪輪軌內(nèi)側(cè)面，對(duì)車(chē)輪踏面某位置處加載，提取車(chē)輪輻板一周的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力即為車(chē)輪滾動(dòng)一周的接觸狀態(tài)。數(shù)值分析模型采用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元進(jìn)行劃分，如圖1所示。全磨耗車(chē)輪的有限元模型有121760個(gè)節(jié)點(diǎn)和110400個(gè)。結(jié)構(gòu)中的倒角、倒圓、注油孔等不影響計(jì)算結(jié)果，則在分析模型中未考慮在內(nèi)。

1.2 計(jì)算參數(shù)

全磨耗輪直徑為770mm，車(chē)輪軸重為14t，密度7800kg/m3，車(chē)輪采用材料為CL60，彈性模量為205GPa，泊松比為0.3。

1.3 受載情況

地鐵車(chē)輛在線路上運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行線路的鋼軌對(duì)車(chē)輪會(huì)產(chǎn)生垂向載荷和橫向載荷。因此，采用UIC510-5標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車(chē)輪在以下三種輪軌力載荷工況作用下的車(chē)輪應(yīng)力進(jìn)行了加載計(jì)算（M為車(chē)輪輪重），確定加載位置和車(chē)輪節(jié)點(diǎn)位置方向關(guān)系，如圖2所示。

2? 評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

2.1 車(chē)輪輻板靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法

依照UIC510-5標(biāo)準(zhǔn)，其評(píng)價(jià)車(chē)輪靜強(qiáng)度的依據(jù)為車(chē)輪最大Von Mises應(yīng)力應(yīng)小于需用應(yīng)力。

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》推薦，CL60鋼的σs/σb=400/715=0.56，這里選取安全系數(shù)為1.3。因此，對(duì)于車(chē)輪輻板等效應(yīng)力評(píng)價(jià)為：

σeq≤[σ]=σs/S=307.7MPa

2.2 車(chē)輪輻板疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法

基于結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展方向與最大主應(yīng)力相互垂直的機(jī)理，將多軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力狀態(tài)來(lái)評(píng)價(jià)疲勞強(qiáng)度。

3? 全磨耗車(chē)輪計(jì)算

在直線工況下，車(chē)輪輻板最大等效應(yīng)力位置出現(xiàn)在車(chē)輪輻板與輪轂接觸的過(guò)渡圓角外側(cè)，其最大值為41.7MPa，其值符合車(chē)輪輻板靜強(qiáng)度值要求。由于車(chē)輪輻板采用S型結(jié)構(gòu)，圓角位置為應(yīng)力集中處，如圖3所示。

車(chē)輪在直線工況下的疲勞及動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值均遠(yuǎn)小于極限值，均在要求范圍內(nèi)，符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，如圖4所示。

在軌道車(chē)輛車(chē)輪輻板上，疲勞裂紋方向均沿車(chē)輪的周向方向呈現(xiàn)，該種疲勞裂紋是由與該裂紋垂直的徑向應(yīng)力為主要原因所致，則對(duì)車(chē)輪輻板的徑向應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，圖5為全磨耗車(chē)輪在直線工況下的車(chē)輪輻板徑向應(yīng)力場(chǎng)，車(chē)輪輻板與輪轂過(guò)渡的內(nèi)圓角處產(chǎn)生最大徑向拉應(yīng)力（28MPa），外圓角處產(chǎn)生最大徑向壓應(yīng)力44.2MPa。

由于車(chē)輪輻板與輪轂及輪輞相連接的過(guò)渡圓角處，有應(yīng)力集中，屬于車(chē)輪結(jié)構(gòu)相對(duì)危險(xiǎn)位置，現(xiàn)對(duì)輻板與輪輞及輪轂連接處的過(guò)渡圓角進(jìn)行定義，內(nèi)外圓角分別為位置1、2、3、4，如圖6所示。

為使計(jì)算結(jié)果便于說(shuō)明，將車(chē)輪加載位置所指方向與車(chē)輪上節(jié)點(diǎn)與車(chē)輪中心連線方向的夾角作為提取結(jié)果曲線的橫坐標(biāo)，定義方式示如圖7所示。

選取相對(duì)應(yīng)輻板圓角處四個(gè)位置相對(duì)最大徑向應(yīng)力值得節(jié)點(diǎn)，在車(chē)輪滾動(dòng)一周時(shí)的徑向應(yīng)力曲線如圖8所示。

如圖8所示，在車(chē)輪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，即使車(chē)輪與線路鋼軌之間的作用載荷大小不變，車(chē)輪仍將受到交變應(yīng)力。車(chē)輪在直線工況下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)車(chē)輪加載位置位于節(jié)點(diǎn)所在截面正下方時(shí)，外圓角位置1受最大的壓應(yīng)力作用，且其變化幅值高于位置4的徑向壓應(yīng)力，內(nèi)圓角位置2受拉應(yīng)力，外圓角位置3也受的拉應(yīng)力，但其值相對(duì)較小，從整體來(lái)看，應(yīng)力變化也較小。輪軌力作用位置隨著車(chē)輪旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化，應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)作用點(diǎn)位置位于截面的正上方時(shí)，位置2、3由之前的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，位置3、4由受壓變?yōu)槭芾Ｔ谲?chē)輪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，車(chē)輪輻板各點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力，并不斷循環(huán)，直線工況中車(chē)輪輻板與車(chē)輪輪轂過(guò)渡的圓角處相對(duì)變化較大。

4? 疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)

在直線、曲線、道岔等工況下，全磨耗車(chē)輪輻板疲勞強(qiáng)度分析見(jiàn)表1。

5? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)全磨耗車(chē)輪輻板在直線、曲線、道岔工況的受力分析和疲勞強(qiáng)度的計(jì)算分析及評(píng)價(jià)，全磨耗車(chē)輪輻板均滿足靜強(qiáng)度要求和疲勞強(qiáng)度要求。根據(jù)分析情況，為地鐵車(chē)輛車(chē)輪的日常檢修的重點(diǎn)部位提供了參考依據(jù)。

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