基于ANSYS的高速动车车轮强度分析

黄 飞，何忠韬，臧国群

（兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

高速列车轮对是转向架的重要组成部件，是影响车辆运行安全的关键部件之一。动车组车轮承受车辆与线路间相互作用的全部载荷及冲击，与钢轨形成粘着产生牵引力或制动力，轮对滚动使车辆前进。随着列车速度的提高、轴重的增大，轮对所承受的负荷越来越恶劣，其暴露在疲劳可靠性方面的问题越来越多。为确保铁路车辆的运行安全，就必须对轮对的安全性、可靠性设计提出更高的要求。本文基于ANSYS，以CRH1型动车的拖车车轮为研究对象，对轮对的过盈配合以及车轮静强度进行有限元计算分析，采用UIC510－5标准对车轮结构进行疲劳强度分析评价。

1 轮对技术设计说明

CRH1型拖车车轮采用整体轧制车轮，车轮踏面是按照LMA型踏面镟制的，轮辋厚度为135mm，车轮的公称直径为Φ915mm。车轮用R8T牌号钢制造，其弹性模量E＝206 000N／mm2，泊松比v＝0．29。车轴按照EN 13261NORM标准设计，材质为EA4T。轮对主要技术参数见表1。

表1 轮对主要技术参数

2 车轮的ANSYS强度分析

2．1 车轮有限元模型的建立

将Solidworks中建好的轮对三维模型导入ANSYS中，对车轮的材料属性进行设置，基于车轮的结构特点，采用自动划分法对车轮进行有限元网格划分。设置最小单元尺寸为15mm，得到离散模型的单元数为155 511，节点个数为235 154。离散后的车轮有限元模型见图1。

图1 车轮离散模型

2．2 轮轴过盈应力分析

轮轴过盈配合接触问题是非线性接触问题，轮轴是通过接触面压力产生的摩擦力来传递扭矩和轴向力的。在ANSYS计算过盈配合接触时，能得到接触面之间的压力。按照CRH1动车组技术资料和相关UIC标准，新车轮和磨耗到限车轮的轮轴之间的过盈量分别取0．3mm和0．24mm，在轴向方向上，CRH1动车组拖车车轮轮毂长度为170mm。CRH1动车组拖车轮轴之间的过盈量为0．24mm时的Von Mises应力云图如图2所示，其最大等效应力为192．26MPa。轮轴之间的过盈量为0．3mm时的Von Mises应力云图如图3所示，其最大等效应力为192．39MPa。

图2 过盈量为0．24mm时Von Mises应力云图

2．3 车轮在直线运行工况下的应力分析

轨道对车轮径向和横向作用力、不同的轮对压装过盈量、高速旋转引起的离心力等均对车轮的应力分布有着很大的影响。

图3 过盈量0．3mm时Von Mises应力云图

2．3．1 车轮接触斑计算

根据Hertz接触理论对轮轨滚动接触斑进行计算。由式（1）定义两个常数A和B，它们是可以表示主曲率平面间夹角的函数。

其中：Rw为车轮的滚动圆半径，与车轮的名义半径有关；γw为车轮踏面断面外形半径；γr为轨头横断面外形半径。

对于车轮和钢轨，可以认为两者的弹性模量E和泊松比v相同。由式（2）定义常数κ：

κ＝2（1－v2）／（πE）。 （2）………………………

假定轮轨在滚动接触过程中，其接触符合Hertz的两弹性体接触形状与尺寸，那么接触椭圆的长、短半径按Herzt接触理论有：

其中：a为椭圆的长半轴；b为椭圆的短半轴；N为轮轨接触斑法向力；m、n是与A、B有关的系数。

先求出β，对应不同的β值，m和n可由已知的数表确定。确定出m和n值后，利用式（3）可以确定出a和b。

根据轮对的技术参数，取Rw＝457．5mm，γw＝380mm，γr＝300mm，N＝88 800N，E＝206 000N／mm2，v＝0．29。由这些数据计算得到β＝59．03，m＝1．511，n＝0．709，a＝11．23mm，b＝5．27mm。

2．3．2 车轮受力

车轮在直线上运行受到的力有：轮轨垂向力Fz＝88 800N，轮轨横向力Fy＝0kN。

2．3．3 约束处理

根据车轮实际运用情况和受力状态，在轴的两个端面加固定位移约束。

2．3．4 静强度计算结果

计算复杂应力构件时，需求出当量应力（Von Mises应力），此应力不得超过许用应力。当量应力的计算公式为：

其中：σi为主应力（i＝1，2，3），MPa。

通过有限元计算，车轮在直线运行工况下，轮轴之间过盈量为0．24mm时的Von Mises应力云图如图4所示。过盈量为0．3mm时的Von Mises应力云图如图5所示。

3 静强度分析及评定

为使车轮满足运行强度要求，车轮各关键部位的当量应力应均低于所选材质的许用应力。UIC510－5评价标准是：车轮辐板上所有节点的动应力范围Δσ应低于许用应力，即：①用加工中心加工的车轮Δσ＜360 MPa；②未用加工中心加工的车轮Δσ＜290MPa；③最大Von Mises应力低于车轮材料弹性极限（355 MPa）。

根据ANSYS分析得：轮轴过盈配合最大Von Mises应力为192．39MPa，车轮在直线运行工况下最大Von Mises应力为309．39MPa，其最大 Von Mises均小于355MPa，结构强度均满足要求。

图4 直线运行工况下过盈量为0．24mm时应力云图

4 结论

通过ANSYS计算分析表明，CRH1型动车拖车车轮设计的静强度满足运用要求。用有限元方法对车辆车轮的强度分析和评定方法能够更加合理地反映车轮的实际受力状况，对提高产品设计的可靠性有着重要意义。

图5 直线运行工况下过盈量为0．3mm时应力云图

［1］ 王伯铭．高速动车组总体及转向架［M］．成都：西南交通大学出版社，2008．

［2］ 任尊松．车辆系统动力学［M］．北京：中国铁道出版社，2007．

［3］ 商跃进．动车组车辆构造与设计［M］．成都：西南交通大学出版社，2010．