地鐵車輛全磨耗車輪輻板的疲勞強度研究

王景振

摘要：地鐵車輛車輪在運營過程中，受其自身轉動及在直線、曲線、道岔等工況下的交變載荷，會產生車輪輻板的多軸交變應力。在軌道車輛車輪輻板上，疲勞裂紋方向均沿車輪的周向方向呈現，該種疲勞裂紋是由與該裂紋垂直的徑向應力為主要原因所致，則將多軸應力轉化為單軸應力。參照相關標準，對地鐵車輛全磨耗車輪輻板進行了應力計算和疲勞分析。結果表明，車輪輻板均滿足靜強度要求和疲勞輕度要求。根據分析情況，為地鐵車輛車輪的日常檢修的重點部位提供了參考依據。

關鍵詞：地鐵車輛;全磨耗車輪;疲勞分析;車輛檢修

0? 引言

隨著地鐵車輛的運營里程的不斷增加，車輪在復雜工況條件下會受到多軸交變應力。在軌道車輛車輪輻板上，疲勞裂紋方向均沿車輪的周向方向呈現，該種疲勞裂紋是由與該裂紋垂直的徑向應力為主要原因所致，則將多軸應力轉化為單軸應力。主要計算全磨耗車輪（Φ770）在不同運行工況下的車輪機械疲勞強度，考查的指標主要有車輪輻板各位置的等效應力、主應力幅值及均值。

1? 車輪數值計算模型

1.1 車輪有限元模型

數值分析模型取單個全磨耗車輪模型，車輪踏面為LM型。在對車輪進行應力分析時，約束車輪輪軌內側面，對車輪踏面某位置處加載，提取車輪輻板一周的節點應力即為車輪滾動一周的接觸狀態。數值分析模型采用8節點6面體實體單元進行劃分，如圖1所示。全磨耗車輪的有限元模型有121760個節點和110400個。結構中的倒角、倒圓、注油孔等不影響計算結果，則在分析模型中未考慮在內。

1.2 計算參數

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

1.3 受載情況

地鐵車輛在線路上運行過程中，運行線路的鋼軌對車輪會產生垂向載荷和橫向載荷。因此，采用UIC510-5標準，對車輪在以下三種輪軌力載荷工況作用下的車輪應力進行了加載計算（M為車輪輪重），確定加載位置和車輪節點位置方向關系，如圖2所示。

2? 評價方法及指標

2.1 車輪輻板靜強度評價方法

依照UIC510-5標準，其評價車輪靜強度的依據為車輪最大Von Mises應力應小于需用應力。

根據《機械設計手冊》推薦，CL60鋼的σs/σb=400/715=0.56，這里選取安全系數為1.3。因此，對于車輪輻板等效應力評價為：

σeq≤[σ]=σs/S=307.7MPa

2.2 車輪輻板疲勞強度評價方法

基于結構疲勞裂紋擴展方向與最大主應力相互垂直的機理，將多軸應力狀態轉化為單軸應力狀態來評價疲勞強度。

3? 全磨耗車輪計算

在直線工況下，車輪輻板最大等效應力位置出現在車輪輻板與輪轂接觸的過渡圓角外側，其最大值為41.7MPa，其值符合車輪輻板靜強度值要求。由于車輪輻板采用S型結構，圓角位置為應力集中處，如圖3所示。

車輪在直線工況下的疲勞及動態應力幅值均遠小于極限值，均在要求范圍內，符合評定標準，如圖4所示。

在軌道車輛車輪輻板上，疲勞裂紋方向均沿車輪的周向方向呈現，該種疲勞裂紋是由與該裂紋垂直的徑向應力為主要原因所致，則對車輪輻板的徑向應力進行了計算，圖5為全磨耗車輪在直線工況下的車輪輻板徑向應力場，車輪輻板與輪轂過渡的內圓角處產生最大徑向拉應力（28MPa），外圓角處產生最大徑向壓應力44.2MPa。

由于車輪輻板與輪轂及輪輞相連接的過渡圓角處，有應力集中，屬于車輪結構相對危險位置，現對輻板與輪輞及輪轂連接處的過渡圓角進行定義，內外圓角分別為位置1、2、3、4，如圖6所示。

為使計算結果便于說明，將車輪加載位置所指方向與車輪上節點與車輪中心連線方向的夾角作為提取結果曲線的橫坐標，定義方式示如圖7所示。

選取相對應輻板圓角處四個位置相對最大徑向應力值得節點，在車輪滾動一周時的徑向應力曲線如圖8所示。

如圖8所示，在車輪旋轉的過程中，即使車輪與線路鋼軌之間的作用載荷大小不變，車輪仍將受到交變應力。車輪在直線工況下運行時，當車輪加載位置位于節點所在截面正下方時，外圓角位置1受最大的壓應力作用，且其變化幅值高于位置4的徑向壓應力，內圓角位置2受拉應力，外圓角位置3也受的拉應力，但其值相對較小，從整體來看，應力變化也較小。輪軌力作用位置隨著車輪旋轉發生變化，應力逐漸減小。當作用點位置位于截面的正上方時，位置2、3由之前的拉應力變為壓應力，位置3、4由受壓變為受拉。在車輪旋轉的過程中，車輪輻板各點會產生交變應力，并不斷循環，直線工況中車輪輻板與車輪輪轂過渡的圓角處相對變化較大。

4? 疲勞強度評價

在直線、曲線、道岔等工況下，全磨耗車輪輻板疲勞強度分析見表1。

5? 結束語

通過對全磨耗車輪輻板在直線、曲線、道岔工況的受力分析和疲勞強度的計算分析及評價，全磨耗車輪輻板均滿足靜強度要求和疲勞強度要求。根據分析情況，為地鐵車輛車輪的日常檢修的重點部位提供了參考依據。

參考文獻：

[1]UIC510-5-2007，Technical Approval of Monobloc Wheels[S].

[2]米彩盈.鐵道機車車輛結構強度[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[3]劉會英，張澎湃，米彩盈.鐵道車輛車輪強度設計方法探討[J].鐵道學報，2007，29（1）：102-108.