某軌道車輛車輪疲勞強度分析

王宗正

摘要：采用ABAQUS 2016軟件對某軌道車輛車輪進行三維有限元分析，基于EN 13749 及 UIC 510-5標準計算了車輪在直線、曲線和道岔工況下，不同載荷加載平面下的應力，組合最大主應力投影準則與Crossland多軸疲勞準則對車輪輻板與輻板孔的疲勞強度進行了分析，計算結果說明，這種組合疲勞評定準則的評價結果可以較好的評估車輪抗疲勞性能。

Abstract： In this dissertation， a rail vehicle wheel is chosen as the research subject. Based on the three-dimensional finite element method we analyze the wheel in Abaqus 2016. Based on three conditions of straight line， curve and turnout in EN 13749 and UIC 510-5 standard， calculate the stress of the wheel under different loading planes. Combined with the maximum principal stress projection criterion and the Crossland multi axle fatigue criterion， the fatigue strength is analyzed for both the wheel web and the web pin hole. The calculation results show that this combined fatigue evaluation criterion can evaluate the wheel fatigue performance very well.

關鍵詞：車輪;疲勞強度;最大主應力投影;多軸疲勞

Key words： wheel;fatigue strength;maximum principal stress projection;multiaxial fatigue

中圖分類號：U270.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0048-03

0? 引言

車輪是轉向架的關鍵部件之一，其安全性對于列車的安全運營至關重要[1][2]。車輪的運營工況復雜，工作環境惡劣，容易發生疲勞破壞。隨著列車運營速度的提升及載重量的增加，車輪疲勞安全問題越來越重要，在車輪投入運用前，須評價其疲勞性能，以確保其服役可靠性。

現有的軌道車輛車輪疲勞評定準則主要包括單軸疲勞評定準則與多軸疲勞評定準則，其中單軸疲勞是指材料或零部件在單向循環載荷作用下產生的失效現象，多軸疲勞是指材料或零部件在復雜多維交變應力周期性性變化下造成的疲勞失效破壞。針對車輪輻板及輻板銷孔的結構及受載特性，本文采用了單軸疲勞準則最大主應力投影準則評定車輪輻板疲勞強度，采用了Crossland多軸疲勞準則評定輻板銷孔疲勞性能[3][4]。

1? 車輪概況

某軌道車輪由CL60鋼整體軋制而成，彈性模量為210GMPa，泊松比為0.3，屈服極限為355MPa，疲勞極限為車輪直徑為840mm，軸重為15t，輪軸配合最大過盈量為0.277mm，設計最高運營速度100km/h。由CL60鋼鍛造而成，von Mises 屈服強度為355MPa，疲勞極限為180MPa，彎曲疲勞極限為254MPa，扭轉疲勞極限為177.5MPa。

2? 有限元模型

在車輪靜強度驗證和疲勞強度驗證時必須采用三維模型，計算中選取整個車輪和車軸的一部分作為計算對象，整個模型均采用ABAQUS軟件中的實體單元C3D8R，模型共有145524個單元和138684個節點，應力集中部位單元尺寸為5.06mm，車輪與車軸采用過盈配合，載荷以集中力的方式施加在圖2所示的車輪幾何外形面上，施加繞車輪軸線的角速度以考慮離心力作用。

2.1 加載與約束

車軸模型的兩端施加徑向和周向約束，一端施加軸向約束，有限元模型與約束施加位置見圖3。

2.2 計算工況

依據EN13979-1：2003《鐵路應用-輪對和轉向架-整體車輪-技術認證程序第1部分：鍛造和軋制車輪》和UIC 510-5 OR《整體車輪的技術認證-標準EN13979-1第2版的應用文件》中所給的載荷組合和載荷施加點進行強度計算;[5][6]載荷計算與工況選取如下：

3? 評定方法

3.1 最大主應力投影準則

首先根據計算結果選出三種工況中給定節點的最大σi（主應力編號i=1，2，3）值，作為σimax，計算出σi的方向余弦向量（nσimaxx，nσimaxy，nσimaxz），應用方向余弦向量與此節點在其余兩個工況下的應力張量矩陣，計算得到σimin，應用σmax與σmin計算得出平均應力和應力幅值，對每個考察節點，表1總結了5個應力循環。

3.2 Crossland多軸疲勞準則

對于車輪輻板銷孔的疲勞驗證，采用Crossland多軸疲勞標準來考慮孔表面的多軸應力狀態。Crossland多軸疲勞標準采用最大應力分量，并且認為安全性隨變量？子ott，a（動態八面體剪應力）而變。

4? 疲勞強度計算結果

4.1 車輪輻板疲勞強度計算結果

依據3.1節所述的方法對車輪輻板的疲勞強度進行分析，圖5為進行疲勞強度驗證的節點，各應力循環下新輪輻板被驗證節點最小安全系數見表2，新輪輻板被驗證節點最小安全系數為1.99，位于新輪輻板外側表面，節點號為60928，出現在σ12、σ22應力循環中，圖6為安全系數小于2的節點在車輪上的位置，均出現在σ12應力循環和σ22應力循環中，圖7為被驗證節點對應的Haigh曲線圖和安全系數分布圖。

4.2 輻板銷孔疲勞強度計算結果

依據3.2節所述的方法對車輪輻板的疲勞強度進行分析，圖8、圖9為對新輪輻板銷孔表面被驗證節點的Crossland圖，輻板Φ19銷孔表面節點安全系數η1最小值為6.11，安全系數η2最小值為2.97;輻板Φ25銷孔表面節點安全系數η1最小值為5.47，安全系數η2最小值為2.71。

5? 結論

采用了單軸疲勞準則最大主應力投影準則評定車輪輻板疲勞強度，采用了Crossland多軸疲勞準則評定輻板銷孔疲勞性能：①輻板被驗證節點最小安全系數為2.04，位于新輪輻板內側表面，節點號為65081，出現在σ33應力循環中。②輻板Φ19銷孔表面節點安全系數η1最小值為6.11，安全系數η2最小值為2.97;輻板Φ25銷孔表面節點安全系數η1最小值為5.47，安全系數η2最小值為2.71。

參考文獻：

[1]張澎湃.基于主應力法和修正的Crossland疲勞準則的動車組車輪強度評定方法[J].中國鐵道科學，2014，35（2）：52-57.

[2]唐道武.機車車輪多軸疲勞強度安全評定的研究[J].內燃機車，2008，7：10-13.

[3]王悅東.基于改進的Goodman曲線的車輪疲勞強度評估方法研究[J].鐵道科學與工程學報，2017，14（4）：827-832.

[4]王悅東.單軸和多軸疲勞準則下的車輪疲勞強度分析[J]. 大連交通大學學報，2016，37（2）：47-52.

[5]International Union of Railways， UIC 510-5-2007 Technical Approval of Monobloc Wheels [S]. Paris： UIC，2007.

[6]BS EN 13979-1，Railway Application-Wheelsets and Bogies-Mnobloc Wheels-Technical Approval Procedure-Part1：Forged and Rolled Wheels[S].BSI，2003.

[7]徐灝.疲勞強度[M].北京：高等教育出版社，1988.