铁路轨检车轴箱疲劳强度分析

肖 乾 ，王 磊，谭祖宾，袁其刚

（1.华东交通大学现代轨道车辆研究所，江西 南昌330013；2.南车洛阳机车有限公司，河南 洛阳471002）

随着我国高速列车的不断开行，对高速列车的稳定性、安全性以及舒适性的要求越来越高。同时我们还注意到，高速列车和重载列车对轨道的破坏作用更大，这也是导致轨道状态不断恶化的原因。所以增加轨道动态监测势在必行。比较常用的动态监测轨道状态的设备是铁路轨检车，铁路轨检车主要用于钢轨探伤，探伤设备的固定支架一般与轴箱相连；因此，轴箱的疲劳强度将直接影响轨检车的运行安全和检测安全。

作为转向架上一个重要的部件，轴箱使焊接结构与车轮轮对联系在一起，不但承受着车体的垂向载荷，而且还将各方向的作用力传递出去。如果在轨检车运行过程中疲劳强度过小，必然会影响轨检车的安全，甚至导致事故发生；因此对轨检车轴箱的疲劳强度加以分析重要且必要。国内外有较多学者对不同机车的轴箱做过很多研究，杨继震[1]对CRH2 动车组的拖车轴箱强度做了较为详细的研究；刘万选等[2]对Y25 型新型转向架的轴箱做了强度性能分析；YAN Jia-sen 等[3]对高速铁路轴箱轴承载荷分布进行了分析研究；А.М.СОКОЛОВ 等[4]对俄罗斯货车轴箱装置的可靠性进行详细介绍, 并对轴箱装置结构进行了一些改进。但少有学者对铁路轨检车轴箱的疲劳强度有过研究。本文用Pro/E 软件对轨检车轴箱进行三维实体建模, 利用有限元软件对其进行有限元处理和分析，得到轨检车轴箱各个部位的应力分布情况，利用Goodman-Smith 疲劳极限图对轨检车轴箱进行疲劳强度的校核,把计算分析结果作为轨检车轴箱的强度性能评定的依据。

1 轴箱疲劳强度计算和评价方法

轴箱的疲劳强度分析基本是采用UIC615-4 的轴箱试验验收标准或者欧洲联盟标准BS EN 12082-1998[5]。这两种试验验收标准对轴箱规定的标准基本相同，在规定轴箱的疲劳强度校验时，要求轴箱的von Mises 应力必须小于轴箱的屈服极限[6]。

轴箱的疲劳强度计算，国内外常用有限元法作为其计算方法，有限元法首先需要知道某一节点处的平均应力和动应力幅值，分别按照式（1）、式（2）来计算：

其中：σmean为节点平均应力值；σdynamic为节点动应力幅值，也可以称之为平均应力幅值；σmax和σmin分别为最大应力和最小应力，可以通过有限元软件计算直接得到[7]。

2 轴箱有限元分析

2.1 有限元模型

结合某型号轨检车轴箱的数据资料，利用pro/E 软件对该型号轨检车轴箱进行三维实体建模，建好的轨检车轴箱整体结构图见图1。考虑到该轴箱不是完全对称，为了使计算结果更接近于精确值，采取以轨检车轴箱整体为研究对象。在Hypermesh 软件中，选择自由三维四面体实体单元对轴箱进行网格划分[8]，网格划分完毕之后，离散出199 402 个单元和47 089 个节点，如图2所示。

图1 轴箱整体结构图Fig.1 Overall structure of axle-boxes

2 轴箱有限元模型Fig.2 Finite element model of axle-boxes

轴箱材料ZG25MnNi 的材料参数为杨氏模量E=206 000 N·mm－2，泊松比μ=0.3，材料属性中，屈服强度σs=260 MPa，抗拉疲劳极限σb=485 MPa，疲劳强度极限σr=190 MPa。

2.2 载荷工况的确定

通过某型号轨检车的数据资料，结合UIC615-4 的载荷定义标准以及列车的实际运行状况，分析得到以下几种工况[1]。

2.2.1 超常载荷工况

其中：Rzmax为作用在轴箱上的超常垂向载荷，kN；α 为载荷浮动系数，此处是在超常载荷下取2；Q0为车轮静态垂直力，这里根据车体的自重和载重取69.122 kN；mz代表轴箱的簧下质量，这里取2 t；g 为重力加速度9.8 m·s－2。

2.2.2 模拟运营载荷工况

垂向静载荷

垂向动载荷

其中：Rz是作用在轴箱上的垂向静载荷，kN；Rd是作用在轴箱上的垂向动载荷，kN； β 为载荷浮动系数，此处是在模拟运营载荷下取0.5。

2.2.3 计算载荷工况

垂向混合载荷

其中：Rh是作用在轴箱上的垂向混合载荷，kN。

2.3 边界条件与载荷施加

一般情况下，轴箱与轴承接触的部分承担了轴箱的绝大部分受力，本模型在轴孔上部的120°范围内施加径向约束限制轴箱的位移[2]。结合轨检车轴箱的实际工作情况，在轨检车轴箱两侧的簧座上施加对称载荷，为了方便操作，在Hypermesh 软件中给该模型的两侧簧座上首先建立一个刚性连接，然后再施加集中力，改变集中力的大小即可在不同工况之间切换，使计算更加方便[9]。

3 计算结果分析

在列车静止与运动条件下，轨检车轴箱分别受到静载荷与动静混合载荷的作用。在超常载荷工况下，轨检车轴箱的最大应力出现在簧座内侧的肋板焊接处，大小为219.6 MPa，这个计算的应力值小于超常载荷下轨检车轴箱材料ZG25MnNi 的许用应力(260 MPa )。因此，轨检车轴箱的静强度满足要求。

通过有限元软件导出的轨检车轴箱各节点载荷，任意两种模拟运营载荷工况下的应力差以及平均应力均可以计算出来，通过计算，轨检车轴箱在任意两种模拟运营载荷工况条件下平均应力依次为127.85，102.28 MPa 和76.71 MPa，对应的应力幅值分别为25.57，51.14 MPa 和25.57 MPa。

将以上计算出的3 点纳入轨检车轴箱材料的疲劳强度极限图中[10]，见图3。由图3可知，轨检车轴箱上所受的平均应力和应力幅值均在轴箱材料的疲劳强度极限图的允许范围之内。因此，轨检车轴箱的疲劳强度也满足要求。

图3 ZG25MnNi 的Goodman-Smith 图Fig.3 Goodman-Smith diagram of ZG25MnNi

4 结束语

轨检车轴箱的疲劳强度分析，目前主要采用的是UIC 标准，其中有限元的计算方法也是国内外普遍使用的方法。按照UIC 标准定义其约束条件和载荷工况，然后在有限元软件中计算轴箱所受的平均应力和应力幅，并最终完成轨检车轴箱在超常载荷和模拟运营载荷工况下的疲劳强度分析。计算结果发现即使在超常载荷工况条件下，轨检车轴箱所受的最大应力出现在簧座内侧的肋板焊接处，大小为219.6 MPa，该计算应力值小于轨检车轴箱材料ZG25MnNi 的许用应力（260 MPa），因此轨检车轴箱的静强度满足要求。在模拟运营工况条件下，任意两种工况的应力差以及平均应力均在轴箱材料的疲劳极限图的允许范围之内，也就是说轨检车轴箱的疲劳强度均满足要求。

[1]杨继震.CRH2 动车组拖车轮对轴箱强度分析[D].北京:北京交通大学，2007.

[2]刘万选,王红,商跃进．Y25 型新型转向架轴箱强度性能分析[J].兰州交通大学学报，2010，29（4）：115-118．

[3]YAN JIASEN，ZHU LONGQUAN，ZHAO SANXING，et al.Analysis on load distribution of high－speed railway axle box bearings[J].Bearing，2012（10）：12-16．

[4]СОКОЛОВ А М． Reliabi lity analysis of freight car axle boxes in russia[J].国外铁道车辆，2008，45（5）：38-40.

[5]UIC615-4.Triebfahrzeuge: drehgestelle and laulverke“festigkeitsprufung an stmkturen yon drehgestellrahmen”［S］.Paris，Prance，2003.

[6]徐灏.疲劳强度[M].北京: 机械工业出版社，1988：26-55.

[7]肖乾，周素霞，周新建，等.动车组测力轮对的疲劳强度分析[J].机械强度，2011，33（6）: 895-899.

[8]周新建，王若飞.基于Hypermesh 的立式加工中心立柱结构的拓扑优化[J].华东交通大学学报，2013，30（6）：78-83.

[9]郑红霞，谢基龙，周素霞，等.基于有限元仿真车轮多轴疲劳强度分析[J].北京交通大学学报，2009，33（4）：54-59.

[10]项彬,史建平,郭灵彦,等.铁路常用材料Goodman 疲劳极限图的绘制与应用[J].中国铁道科学，2002，23（4）: 72-76.