鐵路軌檢車軸箱疲勞強度分析

肖 乾 ，王 磊，譚祖賓，袁其剛

（1.華東交通大學現代軌道車輛研究所，江西 南昌330013；2.南車洛陽機車有限公司，河南 洛陽471002）

隨著我國高速列車的不斷開行，對高速列車的穩定性、安全性以及舒適性的要求越來越高。同時我們還注意到，高速列車和重載列車對軌道的破壞作用更大，這也是導致軌道狀態不斷惡化的原因。所以增加軌道動態監測勢在必行。比較常用的動態監測軌道狀態的設備是鐵路軌檢車，鐵路軌檢車主要用于鋼軌探傷，探傷設備的固定支架一般與軸箱相連；因此，軸箱的疲勞強度將直接影響軌檢車的運行安全和檢測安全。

作為轉向架上一個重要的部件，軸箱使焊接結構與車輪輪對聯系在一起，不但承受著車體的垂向載荷，而且還將各方向的作用力傳遞出去。如果在軌檢車運行過程中疲勞強度過小，必然會影響軌檢車的安全，甚至導致事故發生；因此對軌檢車軸箱的疲勞強度加以分析重要且必要。國內外有較多學者對不同機車的軸箱做過很多研究，楊繼震[1]對CRH2 動車組的拖車軸箱強度做了較為詳細的研究；劉萬選等[2]對Y25 型新型轉向架的軸箱做了強度性能分析；YAN Jia-sen 等[3]對高速鐵路軸箱軸承載荷分布進行了分析研究；А.М.СОКОЛОВ 等[4]對俄羅斯貨車軸箱裝置的可靠性進行詳細介紹, 并對軸箱裝置結構進行了一些改進。但少有學者對鐵路軌檢車軸箱的疲勞強度有過研究。本文用Pro/E 軟件對軌檢車軸箱進行三維實體建模, 利用有限元軟件對其進行有限元處理和分析，得到軌檢車軸箱各個部位的應力分布情況，利用Goodman-Smith 疲勞極限圖對軌檢車軸箱進行疲勞強度的校核,把計算分析結果作為軌檢車軸箱的強度性能評定的依據。

1 軸箱疲勞強度計算和評價方法

軸箱的疲勞強度分析基本是采用UIC615-4 的軸箱試驗驗收標準或者歐洲聯盟標準BS EN 12082-1998[5]。這兩種試驗驗收標準對軸箱規定的標準基本相同，在規定軸箱的疲勞強度校驗時，要求軸箱的von Mises 應力必須小于軸箱的屈服極限[6]。

軸箱的疲勞強度計算，國內外常用有限元法作為其計算方法，有限元法首先需要知道某一節點處的平均應力和動應力幅值，分別按照式（1）、式（2）來計算：

其中：σmean為節點平均應力值；σdynamic為節點動應力幅值，也可以稱之為平均應力幅值；σmax和σmin分別為最大應力和最小應力，可以通過有限元軟件計算直接得到[7]。

2 軸箱有限元分析

2.1 有限元模型

結合某型號軌檢車軸箱的數據資料，利用pro/E 軟件對該型號軌檢車軸箱進行三維實體建模，建好的軌檢車軸箱整體結構圖見圖1?？紤]到該軸箱不是完全對稱，為了使計算結果更接近于精確值，采取以軌檢車軸箱整體為研究對象。在Hypermesh 軟件中，選擇自由三維四面體實體單元對軸箱進行網格劃分[8]，網格劃分完畢之后，離散出199 402 個單元和47 089 個節點，如圖2所示。

圖1 軸箱整體結構圖Fig.1 Overall structure of axle-boxes

2 軸箱有限元模型Fig.2 Finite element model of axle-boxes

軸箱材料ZG25MnNi 的材料參數為楊氏模量E=206 000 N·mm－2，泊松比μ=0.3，材料屬性中，屈服強度σs=260 MPa，抗拉疲勞極限σb=485 MPa，疲勞強度極限σr=190 MPa。

2.2 載荷工況的確定

通過某型號軌檢車的數據資料，結合UIC615-4 的載荷定義標準以及列車的實際運行狀況，分析得到以下幾種工況[1]。

2.2.1 超常載荷工況

其中：Rzmax為作用在軸箱上的超常垂向載荷，kN；α 為載荷浮動系數，此處是在超常載荷下取2；Q0為車輪靜態垂直力，這里根據車體的自重和載重取69.122 kN；mz代表軸箱的簧下質量，這里取2 t；g 為重力加速度9.8 m·s－2。

2.2.2 模擬運營載荷工況

垂向靜載荷

垂向動載荷

其中：Rz是作用在軸箱上的垂向靜載荷，kN；Rd是作用在軸箱上的垂向動載荷，kN； β 為載荷浮動系數，此處是在模擬運營載荷下取0.5。

2.2.3 計算載荷工況

垂向混合載荷

其中：Rh是作用在軸箱上的垂向混合載荷，kN。

2.3 邊界條件與載荷施加

一般情況下，軸箱與軸承接觸的部分承擔了軸箱的絕大部分受力，本模型在軸孔上部的120°范圍內施加徑向約束限制軸箱的位移[2]。結合軌檢車軸箱的實際工作情況，在軌檢車軸箱兩側的簧座上施加對稱載荷，為了方便操作，在Hypermesh 軟件中給該模型的兩側簧座上首先建立一個剛性連接，然后再施加集中力，改變集中力的大小即可在不同工況之間切換，使計算更加方便[9]。

3 計算結果分析

在列車靜止與運動條件下，軌檢車軸箱分別受到靜載荷與動靜混合載荷的作用。在超常載荷工況下，軌檢車軸箱的最大應力出現在簧座內側的肋板焊接處，大小為219.6 MPa，這個計算的應力值小于超常載荷下軌檢車軸箱材料ZG25MnNi 的許用應力(260 MPa )。因此，軌檢車軸箱的靜強度滿足要求。

通過有限元軟件導出的軌檢車軸箱各節點載荷，任意兩種模擬運營載荷工況下的應力差以及平均應力均可以計算出來，通過計算，軌檢車軸箱在任意兩種模擬運營載荷工況條件下平均應力依次為127.85，102.28 MPa 和76.71 MPa，對應的應力幅值分別為25.57，51.14 MPa 和25.57 MPa。

將以上計算出的3 點納入軌檢車軸箱材料的疲勞強度極限圖中[10]，見圖3。由圖3可知，軌檢車軸箱上所受的平均應力和應力幅值均在軸箱材料的疲勞強度極限圖的允許范圍之內。因此，軌檢車軸箱的疲勞強度也滿足要求。

圖3 ZG25MnNi 的Goodman-Smith 圖Fig.3 Goodman-Smith diagram of ZG25MnNi

4 結束語

軌檢車軸箱的疲勞強度分析，目前主要采用的是UIC 標準，其中有限元的計算方法也是國內外普遍使用的方法。按照UIC 標準定義其約束條件和載荷工況，然后在有限元軟件中計算軸箱所受的平均應力和應力幅，并最終完成軌檢車軸箱在超常載荷和模擬運營載荷工況下的疲勞強度分析。計算結果發現即使在超常載荷工況條件下，軌檢車軸箱所受的最大應力出現在簧座內側的肋板焊接處，大小為219.6 MPa，該計算應力值小于軌檢車軸箱材料ZG25MnNi 的許用應力（260 MPa），因此軌檢車軸箱的靜強度滿足要求。在模擬運營工況條件下，任意兩種工況的應力差以及平均應力均在軸箱材料的疲勞極限圖的允許范圍之內，也就是說軌檢車軸箱的疲勞強度均滿足要求。

[1]楊繼震.CRH2 動車組拖車輪對軸箱強度分析[D].北京:北京交通大學，2007.

[2]劉萬選,王紅,商躍進．Y25 型新型轉向架軸箱強度性能分析[J].蘭州交通大學學報，2010，29（4）：115-118．

[3]YAN JIASEN，ZHU LONGQUAN，ZHAO SANXING，et al.Analysis on load distribution of high－speed railway axle box bearings[J].Bearing，2012（10）：12-16．

[4]СОКОЛОВ А М． Reliabi lity analysis of freight car axle boxes in russia[J].國外鐵道車輛，2008，45（5）：38-40.

[5]UIC615-4.Triebfahrzeuge: drehgestelle and laulverke“festigkeitsprufung an stmkturen yon drehgestellrahmen”［S］.Paris，Prance，2003.

[6]徐灝.疲勞強度[M].北京: 機械工業出版社，1988：26-55.

[7]肖乾，周素霞，周新建，等.動車組測力輪對的疲勞強度分析[J].機械強度，2011，33（6）: 895-899.

[8]周新建，王若飛.基于Hypermesh 的立式加工中心立柱結構的拓撲優化[J].華東交通大學學報，2013，30（6）：78-83.

[9]鄭紅霞，謝基龍，周素霞，等.基于有限元仿真車輪多軸疲勞強度分析[J].北京交通大學學報，2009，33（4）：54-59.

[10]項彬,史建平,郭靈彥,等.鐵路常用材料Goodman 疲勞極限圖的繪制與應用[J].中國鐵道科學，2002，23（4）: 72-76.