客車輪軸過盈配合面應力有限元分析

皮 特 ，李引弓

（1.湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412006；2.廣州鐵路集團公司長沙車輛段，湖南 長沙 410034）

0 引言

客車輪對是鐵路客車轉向架的重要組成部分，它既要承擔鐵路客車車輛的全部質量包含自重和乘客重量，又要引導鐵路客車車輛在鋼軌上滾動完成鐵路客車車輛高速運行[1-2]。鐵路客車輪對由一根車軸和兩個相同的車輪組成，在輪軸的結合部位采用過盈配合，用車軸壓裝機將車輪壓裝在車軸兩端，使車軸和車輪牢固地結合在一起，為保證行車的絕對安全，絕對不允許有任何松動現象發生[3]。

客車輪對采用過盈配合來傳遞軸向力和扭矩，它利用過盈量在半徑方向產生接觸面壓力，并由這兩個接觸面上產生的摩擦力來傳遞扭矩和軸向力[4-5]。這類問題是接觸非線性問題，由于很難對其應力狀態進行測定，一般是憑借實踐中的經驗來選取過盈量的大小[6]。隨著非線性有限元技術越來越成熟，可以采用有限元技術解決上述問題。本文使用Simulation有限元軟件來求解不同過盈量下，客車輪對壓裝后輪轂孔上接觸應力的大小以及應力的分布情況。

1 過盈配合理論分析

在過盈配合中，兩個接觸面的受力情況如圖1所示，簡化模型做出如下假設。兩個部件在軸向方向長度一樣，再就是過盈量大小相等，接觸面上的應力跟應變大小相等且分布均勻，并且包容件的厚度較大[7]。兩個部件處于彈性變形階段，依據彈性力學可以得到接觸面的接觸應力情況。

圖1 接觸面應力分布情況

該模型屬于彈性力學平面問題，依據物理方程、幾何方程和靜力方程可以推導出公式如下所示：

其中：pi為接觸面壓應力，δ為過盈量，a為軸內半徑，b為接觸面半徑（b=0.5d），c為軸套外半徑，E1和E2為軸套與軸的彈性模量，μ1和μ2為軸套與軸的泊松比。

2 研究對象

本文以應用在209T轉向架上的RD4輪對作為研究對象，在SolidWorks三維軟件中的建模如圖2所示。其中軸頸中心距離為1 956 mm，軸頸直徑為130 mm，軸頸長度為195 mm。車軸由中心孔、軸頸、軸頸后肩、軸座前肩、軸座、軸座后肩、軸身等組成。車軸的主要尺寸d×l×L為130×195×1 956，軸重為18.0 t。按照TB/T 2817—1997，車輪有KDS型號，安裝在RD4型車軸上，客車車輪由踏面、輪緣、輪輞、輻板、輪轂和輪轂孔組成。客車車輪使用磨耗型踏面車輪，輪輞寬度為135 mm，輪緣高度為27 mm，輪緣厚度為32 mm，車輪直徑為915 mm[8]。

圖2 客車輪對三維模型

3 有限元模型建立

在完成三維建模后，需要進行特征清除，合并或者消除在分析中認為不重要的幾何特征。再通過離散化過程，將幾何模型分成有限單元，也就是網格劃分。在該有限元分析中，最重要的是在車輪跟車軸之間建立正確的接觸關系，本模型中接觸面采用的是冷縮配合方式。為了計算結果的收斂，同時降低計算機計算時間，需要設計合理的網格大小。本模型中外力矩和外力作用處于平衡狀態，忽略外力矩和外力作用，在固定幾何約束中，設定車軸截面為固定面，模型如圖3所示。

圖3 客車輪對網格及約束

在Simulation有限元分析軟件中設置車輪車軸的材料屬性參數，如表1所示。

表1 材料屬性參數

4 有限元結果及分析

4.1 等效應力應變云圖

為了分析客車輪對在壓裝后接觸面應力分布情況，本文只改變過盈量的大小，其他條件都保持不變。在過盈量數值大小的選取中，依據TB/T 1718—2003《鐵道車輛輪對組裝技術條件》[9-10]，設定過盈量數值大小分別為0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm。圖4是當過盈量為0.2 mm的時候輪對壓裝后接觸面上主要應力和應變云圖，此時最大單元大小為20 mm，最小單元大小為15 mm，節總數為147 859，單元總數為97 154，網格的最大高寬比例為6.220 2。從中可以看出客車輪對壓裝后在車輪車軸的接觸面上的應力應變是最大的，最大等效應力為234.1 MPa，最大應變是0.000 900 3 mm。

圖4 客車輪對應力應變分布云圖

4.2 等效應力軸向分布規律

圖5是三種過盈量時輪軸壓裝后接觸應力的分布曲線，圖中橫縱坐標分別是輪對軸向距離和接觸應力。通過觀察圖5的曲線，可以發現在3個過盈量下，應力的分布規律是相似的，呈現輪轂軸向上兩邊應力大，中間應力小的規律。這個時候沒有考慮輪對材料的塑性變形，材料處于彈性變形階段，此時過盈量只影響應力應變的大小，不會改變分布規律。從圖中還可以發現，當過盈量數值增大時候，輪對接觸面應力也會相應增大。

圖5 輪轂應力分布曲線

5 結論

1）利用有限元分析軟件解決了客車輪對壓裝后接觸面應力應變難以測量的問題，得到的數值為鐵路現場輪對壓裝過盈量的選取提供一定依據。

2）發現了客車輪對接觸應力分布不均勻，接觸應力分布呈現兩邊大，中間小的規律。接觸應力的大小跟過盈量數值大小的關系為：當過盈量數值增大時候，接觸應力也會相應增大，接觸邊緣的應力集中會更加明顯。