CRH2動(dòng)車(chē)組拖車(chē)車(chē)輪滾動(dòng)接觸疲勞分析

陳浩森 趙永翔

摘? 要：滾動(dòng)接觸疲勞已成為車(chē)輪踏面及輪輞部位疲勞損傷主要方式之一，為研究CRH2拖車(chē)車(chē)輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞裂紋萌生壽命，通過(guò)建立的集成輪對(duì)有限元三維模型，考慮了各部件之間的幾何、多重過(guò)盈、滾動(dòng)接觸的復(fù)雜物理構(gòu)成，利用課題組提出的二次多項(xiàng)式回歸法建立踏面危險(xiǎn)部位載荷譜-應(yīng)力譜轉(zhuǎn)化關(guān)系;基于最大剪應(yīng)力方法，運(yùn)用超長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)疲勞可靠性法研究踏面滾動(dòng)接觸疲勞可靠性;該方法實(shí)現(xiàn)了踏面滾動(dòng)接觸疲勞應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算，分析得出：踏面滾動(dòng)接觸區(qū)域以下2.0mm深處在99%置信度和0.9999可靠度下，運(yùn)行里程是3.29×103;揭示了車(chē)輪踏面根部為表面切削和磨耗損失，近基圓和外側(cè)出現(xiàn)剝離，拖車(chē)車(chē)輪踏面滾動(dòng)接觸部位的影響深度為2.0mm。

關(guān)鍵詞：拖車(chē)車(chē)輪;滾動(dòng)接觸;疲勞裂紋;可靠性

中圖分類(lèi)號(hào)：D913? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）16-0106-04

Abstract： Rolling contact fatigue has become one of the main ways of fatigue damage on wheel tread and rim. In order to study the initiation life of rolling contact fatigue crack on wheel tread of CRH2 trailer， the three-dimensional finite element model of integrated wheelset is established， and the complex physical composition of geometry， multiple interference and rolling contact between components are considered. The quadratic polynomial regression method proposed by the research group is used to establish the transformation relationship between load spectrum and stress spectrum of tread dangerous parts. Based on the maximum shear stress method， the ultra-long life structure fatigue reliability method is used to study the tread rolling contact fatigue reliability. This method realizes the accurate calculation of the tread rolling contact fatigue stress. The analysis shows that the running mileage of the tread rolling contact area below 2.0mm under 99% confidence and 0.9999 reliability is 3.29×103. It is revealed that the root of the wheel tread is the loss of surface cutting and wear， the peeling off occurs near the base circle and the outside， and the influence depth of the rolling contact part of the trailer wheel tread is 2.0mm.

Keywords： trailer wheel; rolling contact; fatigue crack; reliability

前言

我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度的提升，車(chē)輛服役環(huán)境愈發(fā)惡劣，運(yùn)行中隨著輪軌接觸作用力演變，車(chē)輪踏面磨耗、變形、多邊形、碾堆及碾邊、剝離等問(wèn)題[1]，影響車(chē)輛運(yùn)行舒適性和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及疲勞可靠性降低，可能引起列車(chē)脫軌甚至釀成重大安全事故，因此對(duì)CRH2型動(dòng)車(chē)組拖車(chē)車(chē)輪進(jìn)行輪軌滾動(dòng)接觸疲勞壽命分析具有至關(guān)重要的作用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)踏面滾動(dòng)接觸疲勞的形成機(jī)理進(jìn)行了大量的研究分析，目前大多數(shù)研究在輪軌滾動(dòng)接觸疲勞微裂紋產(chǎn)生及其擴(kuò)展方面，Johnson.K.L，Kapoor.A，Bold等[2-4]認(rèn)為低循環(huán)疲勞以及棘齒狀疲勞的形成是由于滾動(dòng)接觸副摩擦力較大，造成材料表面產(chǎn)生塑性流動(dòng)，最后因累積變形達(dá)到材料的韌性極限導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。Alfredsson，Olsson[5，6]認(rèn)為，裂紋產(chǎn)生于踏面粗糙引起的高應(yīng)力集中。Dubourg等[7，8]認(rèn)為，過(guò)載或者重載是造成裂紋形成的原因，而剪切應(yīng)力在裂紋的形成上起到了至關(guān)重要的作用。

另外，在輪軌的滾動(dòng)接觸疲勞方面，金學(xué)松等[9]描述了三維彈塑性滾動(dòng)接觸疲勞的數(shù)值和試驗(yàn)方法，論述幾種典型疲勞接觸破壞現(xiàn)象，給出了我國(guó)部分鐵路現(xiàn)場(chǎng)踏面的疲勞破壞調(diào)差報(bào)告;國(guó)外赤間誠(chéng)，Ringsberg 等人[10，11]利用有限元技術(shù)和 Jiang-Sehitoglu 材料模型建立了輪軌滾動(dòng)接觸有限元模型，利用疲勞模型對(duì)其疲勞進(jìn)行預(yù)測(cè)分析;Liu[12]通過(guò)對(duì)現(xiàn)有疲勞模型進(jìn)行總結(jié)分析后提出了一種基于臨界平面法的多軸高周疲勞裂紋萌生壽命模型;Bernasconi 等[13]運(yùn)用了Dang-van 多軸疲勞模型和動(dòng)力學(xué)，建立了一個(gè)關(guān)于評(píng)估在輪軌次表面滾動(dòng)接觸疲勞裂紋啟裂的模擬程序;羅世輝[14]對(duì)DF21型內(nèi)燃機(jī)車(chē)中間車(chē)輪踏面剝離現(xiàn)象進(jìn)行了分析，認(rèn)為該型機(jī)車(chē)中間車(chē)輪的滾動(dòng)接觸疲勞是由于車(chē)輪非正常的縱向顫振引起，通過(guò)降低中間軸球鉸的剛度后，機(jī)車(chē)的運(yùn)用里程超過(guò)25萬(wàn)公里仍未發(fā)生車(chē)輪踏面剝離現(xiàn)象。

為保障我國(guó)重要高速列車(chē)-CRH2型動(dòng)車(chē)組車(chē)輪服役可靠性與安全性，本論文開(kāi)展CRH2型動(dòng)車(chē)組踏面滾動(dòng)接觸疲勞可靠性工作，同時(shí)對(duì)高速動(dòng)車(chē)組輪軌疲勞分析的針對(duì)性研究較少，該分析結(jié)果為確定車(chē)輪的安全檢修周期提供了一定的理論依據(jù)，對(duì)高速動(dòng)車(chē)組的安全運(yùn)行有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 滾動(dòng)接觸應(yīng)力條件

CRH2拖車(chē)輪對(duì)集成有限元計(jì)算方法，采用輪軸集成有限元方法把滾子-滾道改為實(shí)體連接，軸箱-軸承-車(chē)軸-車(chē)輪-制動(dòng)盤(pán)-鋼軌構(gòu)成整體，考慮復(fù)雜多重過(guò)盈配合及輪軌接觸復(fù)雜關(guān)系，完成踏面滾動(dòng)接觸疲勞應(yīng)力計(jì)算，如圖1所示為踏面滾動(dòng)接觸疲勞最大剪應(yīng)力分布。

2 載荷-結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜

利用課題組提出的新的研究車(chē)輪載荷-結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜計(jì)算方法，建立了踏面滾動(dòng)接觸部位服役應(yīng)力譜轉(zhuǎn)化關(guān)系：在nf個(gè)獨(dú)立力元ng組隨時(shí)間變化的載荷譜（Fi，k;i=1，2，…，nf，k=1，2，…，ng），選取軸箱橫向力同向的nJ組（nJ>2nf+1）計(jì)算載荷組合（Fi，J;i=1，2，…，nf，J=1，2，…，nJ）。分別完成nJ次準(zhǔn)靜態(tài)有限元計(jì)算，通過(guò)有限元計(jì)算獲得關(guān)心部位的計(jì)算載荷組合-應(yīng)力（Fi，J-σJ）數(shù)據(jù)，應(yīng)用下面公式擬合Fi，J-σJ數(shù)據(jù)：

將載荷譜代入上式，可獲得結(jié)構(gòu)關(guān)心部位的應(yīng)力譜如圖2。

3 滾動(dòng)接觸疲勞可靠性

運(yùn)用超長(zhǎng)壽命可靠性分析方法，利用預(yù)留計(jì)數(shù)法首先進(jìn)行譜應(yīng)力處理，得到應(yīng)力幅、平均應(yīng)力及中間應(yīng)力譜（σai、σavi、ni，i=1，2，...，L），結(jié)合材料S-N曲線(xiàn)及Miner累積損傷準(zhǔn)則，轉(zhuǎn)換為當(dāng)量循應(yīng)力條件，采用正太分布表證期望壽命Ne下疲勞強(qiáng)度分布，如圖3所示為踏面滾動(dòng)接出疲勞可靠性分析邏輯流程。

表3給出了車(chē)輪滾動(dòng)接觸踏面以下2.0mm深處，在置信度分別為50%、90%和99%，可靠度為0.5-0.9999下的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果。隨著可靠度的增加，車(chē)輪輻板考察部位同樣呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全壽命減小的趨勢(shì);車(chē)輪踏面滾動(dòng)接觸區(qū)域以下2.0mm深處在99%置信度和0.9999可靠度下，運(yùn)行里程是3.29×103km。

4 結(jié)論

（1）考慮到輪對(duì)復(fù)雜的幾何構(gòu)成及服役功能條件，探索建立CRH2拖車(chē)輪對(duì)集成有限元模型，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輪滾動(dòng)接觸疲勞應(yīng)力的計(jì)算，考察了踏面滾動(dòng)接觸疲勞最大剪應(yīng)力當(dāng)量應(yīng)力σS的分布情況。

（2）研究確定了CRH2型動(dòng)車(chē)組拖車(chē)車(chē)輪踏面滾動(dòng)接觸部位服役疲勞可靠性壽命，包含50%、95%和99%置信度水平，存活概率為0.5、0.9、0.95、0.99、0.999和0.9999水平的十八組情況，證明了當(dāng)輪軸表面光滑無(wú)缺陷條件下，在有效服務(wù)壽命范圍內(nèi)可高可靠性服役。

（3）計(jì)算分析了CRH2型動(dòng)車(chē)組頭車(chē)車(chē)輪踏面滾動(dòng)接觸部位疲勞可靠性，揭示了車(chē)輪踏面根部為表面切削和磨耗損失，近基圓和外側(cè)出現(xiàn)剝離，拖車(chē)車(chē)輪踏面滾動(dòng)接觸部位的影響深度為2mm。

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