基于虚拟样机技术的机车车辆钢弹簧疲劳寿命评估

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1 基于有限元法的通用货车车轮强度计算及评定 1 范俊 (1. 江苏瑞泰铁路配件有限公司, 江苏张家港 156) 摘要重载运输, 是铁路运输扩能提效的有效措施, 但轴重的增加导致轮轨接触应力增大, 货车车 轮作为货车安全运行的关键部件之一, 在货车所有部件之中工作条件是最恶劣的 车辆运行中, 车轮不仅要 支撑重载货车的全部质量, 同时要承受大量的轨道冲击载荷, 这些轨道冲击和车上载荷同时对车轮持续不断 的施加作用力, 引起很高的机械应力, 并由此造成机械损伤 本文将根据 UIC 和欧洲 EN 的有关标准确定车 轮的机械载荷及载荷工况, 考虑到轮轴过盈配合, 计算了通用货车车轮的应力, 对该车轮进行了静强度和疲 劳强度评定 计算结果表明, 车轮的静强度和疲劳强度均满足标准规定的设计要求 关键词货车车轮 ; 静强度 ; 疲劳 ; 应力分析 中图分类号 : U 文献标志码 :A 轮对是铁路机车车辆安全运行的重要部件 随着货运速度的提高 轴重的增大, 作为重要承载部件, 车轮的负荷越来越恶劣, 暴露在强度可靠性方面的问题越来越多 车辆的运行安全, 对车轮的强度及可靠性设计提出更高的要求 我国轮对强度的分析和评定办法主要参照美国 AAR 标准 S 机车和货车车轮设计分析评定办法, 该标准规定了垂直载荷及横向载荷, 但没有考虑轮对运行的滚动角速度 相比较而言, 国际铁路联盟 UIC 和欧洲铁路联盟 EN 标准详细规定了车轮的各项设计要求 相关应用目的的具体参数 计算分析方法 试验程序步骤以及相关判定的准则 ; 同时给出了车轮在轨道的直线区间 完全曲线路段及轨道交叉处通过等工况下机械载荷的大小以及相应的加载位置 ; 使用 Goodman 曲线评定车轮疲劳强度的方法 本文将采用通用有限元软件 ANSYS 对通用货车车轮进行有限元分析, 参照 UIC51-5 整体车轮技术条件 和 EN 铁路应用 轮对和转向架 车轮技术验收程序的第一部分 : 锻制和轧制车轮 计算车轮在直线条件 曲线条件和道岔条件工况下的应力, 采用多轴应力转化为单轴应力的方法, 利用 Haigh-Goodman 修正曲线对货车车轮疲劳强度进行评定 [1,] 1 研究对象 轨道车辆车轮按构造可以分为整体车轮和带箍车轮 ; 按车轮材质可以分为辗钢车轮和铸钢车轮 我国铁道车辆装备使用的车轮按照车轮直径可化分为 915mm 车轮和 84mm 车轮, 前者主要用于客车, 后者多用于货车 ; 按照车轮辐板断面形状可分为直辐板车轮和 S 型辐板 ; 按照车轮踏面断面形状国内车轮又可分为磨耗形车轮轮缘踏面 (LM 型 ) 和锥形车轮踏面 (TB 型 ) 本文采用目前广泛用于货车的整体辗钢车轮为研究对象, 这种车轮采用 LM 形踏面,S 型辐板, 材料为 CL6 钢, 如图 1-1 所示 本文将以上述三维几何模型为基础, 应用大型商业有限元软件 ANSYS 对该货车车轮建立有限元网格模型 同时为保证计算精度的同时节省计算资源, 计算中采用 8 节点六面体单元 轮对实体模型及有限元模型如图 1- 所示 - 1 -

2 图 1-1 货车车轮三维模型 图 1- 货车车轮有限元模型 EN136:9 轮对装配标准对轮轴过盈量 有以下规定 : a) 收缩装配 :.9dm. 15dm ; b) 压力装配 :.1dm.15dm +. 6 ; 式中 dm 车轴轮座位置平均直径, 单位为 mm 在建模过程中, 用 conta174 target17 接触单元模拟轮对装配过盈配合, 货车轮对离散后的节点数 1618, 单元数 有限元模型使用的材料: 弹性模量为.1e5MPa, 泊松比为.3, 密度为 783kg/m3, 并选用最小过盈量, 即过盈比为.1% 进行计算, 图 1-3 为通用货车轮对轮毂孔过盈量比为.1% 时的接触压力曲线, 图 1-4 为货车轮对轮轴过盈配合接触压力云图 图 1-3 轮毂孔接触压力曲线 图 1-4 轮毂孔接触压力云图 车轮静强度有限元分析.1 车轮静强度计算载荷工况 机车车辆在轨道上运行时, 轮轨作用力主要表现为轨道对车轮的垂向载荷和横向载荷 垂向载荷的幅值取决于车辆的重量, 与轴重有关, 同时由瞬态因素 ( 例如悬挂系统性能, 钢轨的不规则性及车轮的擦伤 ) 予以修正 横向载荷是在轮轨接触界面与轮座之间作用的载荷 由于在正常蛇形运动中, 横向载荷是轮对轮缘与轨道的接触和在通过曲线时产生的, 表现为车轮每转一周交变一次的辐板应力 选取标准 UIC51-5 和 EN 规定的工况对轮对进行静强度校核 标准对车轮经过直线轨道 曲线和道岔的这几类情况, 确定了以下三种计算工况 : 直线工况 : 垂直动载荷 P 1 + 过盈量 + 最高运行速度对应的角速度 ; - -

3 曲线工况 : 垂直动载荷 P + 横向动载荷 H + 过盈量 + 最高运行速度对应的角速度 ; 道岔工况 : 垂直动载荷 P 3 + 横向动载荷 H 3 + 过盈量 + 最高运行速度对应的角速度 车轮上作用力的位置和方向, 如图 -1 所示 各工况载荷计算方法如下 : (1) 直线工况 : P 1 = 1.5P, H 1 = ; () 曲线工况 : 对导向轮对 P = 1.5P, H =.7P ; 对非导向轮对 P = 1.5P, H =.6P ; (3) 道岔工况 : 对导向轮对 P3 = 1.5P, H =.4P ; 对非导向轮对 P = 1.5P, H =.36P 式中 : P 轮重. 车轮静强度评定 图 -1 不同载荷工况下轮轨力位置 在车轮的静强度评定中, 车轮满足设计和运行的条件为 : 不同工况下的最大 von mises 应力均小于其许用应力,CL6 许用应力 [σ ]=37MPa 有研究表明 : 由于孔边缘应力集中以及过盈配合, 使得轮毂边缘处位置的应力较高 ; 该位置高应力范围较小, 对车轮不会构成危害 ; 车轮在该位置从未发生过失效, 因此轮毂孔边缘的静强度许用应力可以适当提高 [3] 图 - 最大过盈量 von mises 应力云图 图 -3 直线工况 von mises 应力云图 - 3 -

4 图 -4 曲线工况 von mises 应力云图 图 -5 道岔工况 von mises 应力云图 由图 -~ 图 -5 可以看出, 四种工况下的最大等效应力位置都位于轮毂孔内侧, 直线工况下车轮的最大 von mises 应力为 6Mpa, 辐板处应力较小 ; 曲线工况和道岔工况的最大 von mises 应力均为 1Mpa, 且最大应力位置有从轮毂孔向轮毂孔和辐板过渡区域转移的趋势 在 UIC51-5 和 EN 规定的工况下, 车轮的 von mises 应力均小于所用材料的许用应力 (37Mpa), 因此车轮的静强度在各工况均满足要求 车轮的应力分布表现为 : 轮轴接触面应力分布总体趋势为沿轴向中部低 端部边缘高 就车轮整体应力分布而言, 最大应力值出现在轮毂孔边缘处, 且在道岔工况下, 辐板和轮毂孔过渡区域的应力较大 3 车轮疲劳强度评定 随着车辆在轨道上运动, 车轮各点应力均呈三向交变应力状态 有研究表明 [4], 结构疲劳裂纹发生的位置和最大主应力方向相互垂直 因此, 根据疲劳裂纹产生的方式, 可把三向应力状态向单向应力状态转化 根据投影原理, 计算应力循环下车轮的平均应力和应力幅值, 使用车轮材料的 Goodman 曲线评定车轮疲劳强度 通用货车车轮疲劳强度的评定步骤如下 : (1) 确定不同载荷工况下, 车轮的主应力值和方向 ; () 将所有载荷工况作用下, 车轮最大主应力方向确定为基本应力方向, 产生的应力值为最 大主应力 σ, 计算该应力与结构基准线的夹角 α ; max (3) 参照图 3-1 的方法, 将其他载荷作用下的三向主应力投影到基本应力方向, 将投影产生 的最小应力值确定为最小主应力 σ ; min (4) 由最大和最小主应力值, 参照式 (4-1) 计算平均应力 σ m 和应力幅 σ a ; (5) 用修正的 Haigh-Goodman 曲线评定车轮的疲劳强度 - 4 -

5 图 3-1 主应力方向确定及投影示意图 得到了车轮的最大和最小主应力值, 使用式 (4-1) 计算车轮平均应力 σ 和应力幅 σ : σ max + σ min σ max σ min σ m = σ a = (4-1) 根据 UIC51-5 和 EN136 标准, 对材质为 CL6 钢的车轮进行评定, 车轮辐板区域节点 Haigh Goodman 曲线如图 3- 所示 m a 图 3- 车轮 Haigh-Goodman 曲线从图 3- 可以看出,84 货车车轮所有节点的 Haigh-Goodman 应力坐标都处于许用应力范围内 结果显示,84 货车车轮的疲劳强度满足 UIC51-5 和 EN136 设计要求 4 结论 有限元计算结果表明, 在 UIC51-5 和 EN136 规定的载荷工况下, 货车车轮的最大应力均低于 CL6 钢的许用应力, 因此车轮静强度满足要求 ; 同时, 使用 UIC 标准推荐的车轮疲劳强度评定方法, 想三向应力状态向单向应力状态转化, 车轮的 Haigh-Goodman 曲线表明其疲劳强度满足设计要求 - 5 -

6 参考文献 : [1] UIC 51-5 :Technical Approval of Monobloc Wheels[S].7 [] EN Railway Application-Wheelsetsand Bogies-Monobloc Wheels-Technical Approval Procedure. 3 [3] 郑红霞. 货车车轮辐板孔裂纹形成原因及疲劳裂纹扩展特性研究 [D]. 北京 : 北京交通大学,7 [4] 米彩盈. 铁道机车车辆结构强度 [M]. 成都 : 西南交通大学出版社,7 STRENGTH CALCULATION and EVALUATION of FREIGHT CAR WHEEL BASED on FEM FAN Jun 1 (1.Jiangsu Railteco Industrial Co.,Ltd..Zhangjiagang 156) Abstract: Overloading is an efficient way to improve transportation capacity. The increase of axle load leads to contact stress of wheel/rail. In all the parts of freight car, the wheel s working condition is the worst. When the rolling-stocks are running on rail, the wheel not only supports the entire quality of the freight car, but also has to withstand the impact load at the same time. These loads cause very high mechanical stress and mechanical damage. In this paper, the static strength and fatigue strength are evaluated based on the UIC 51-5 and EN 136 standard. The calculation result shows that the wheel s static strength and fatigue strength meet the requirement of these standards. Key words: Freight car wheel;static strength;fatigue;stress analysis - 6 -

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