CRH2动车组拖车车轮滚动接触疲劳分析

陈浩森 赵永翔

摘  要：滚动接触疲劳已成为车轮踏面及轮辋部位疲劳损伤主要方式之一，为研究CRH2拖车车轮踏面滚动接触疲劳裂纹萌生寿命，通过建立的集成轮对有限元三维模型，考虑了各部件之间的几何、多重过盈、滚动接触的复杂物理构成，利用课题组提出的二次多项式回归法建立踏面危险部位载荷谱-应力谱转化关系;基于最大剪应力方法，运用超长寿命结构疲劳可靠性法研究踏面滚动接触疲劳可靠性;该方法实现了踏面滚动接触疲劳应力的准确计算，分析得出：踏面滚动接触区域以下2.0mm深处在99%置信度和0.9999可靠度下，运行里程是3.29×103;揭示了车轮踏面根部为表面切削和磨耗损失，近基圆和外侧出现剥离，拖车车轮踏面滚动接触部位的影响深度为2.0mm。

关键词：拖车车轮;滚动接触;疲劳裂纹;可靠性

中图分类号：D913          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）16-0106-04

Abstract： Rolling contact fatigue has become one of the main ways of fatigue damage on wheel tread and rim. In order to study the initiation life of rolling contact fatigue crack on wheel tread of CRH2 trailer， the three-dimensional finite element model of integrated wheelset is established， and the complex physical composition of geometry， multiple interference and rolling contact between components are considered. The quadratic polynomial regression method proposed by the research group is used to establish the transformation relationship between load spectrum and stress spectrum of tread dangerous parts. Based on the maximum shear stress method， the ultra-long life structure fatigue reliability method is used to study the tread rolling contact fatigue reliability. This method realizes the accurate calculation of the tread rolling contact fatigue stress. The analysis shows that the running mileage of the tread rolling contact area below 2.0mm under 99% confidence and 0.9999 reliability is 3.29×103. It is revealed that the root of the wheel tread is the loss of surface cutting and wear， the peeling off occurs near the base circle and the outside， and the influence depth of the rolling contact part of the trailer wheel tread is 2.0mm.

Keywords： trailer wheel; rolling contact; fatigue crack; reliability

前言

我國高速动车组运行速度的提升，车辆服役环境愈发恶劣，运行中随着轮轨接触作用力演变，车轮踏面磨耗、变形、多边形、碾堆及碾边、剥离等问题[1]，影响车辆运行舒适性和车辆动力学响应及疲劳可靠性降低，可能引起列车脱轨甚至酿成重大安全事故，因此对CRH2型动车组拖车车轮进行轮轨滚动接触疲劳寿命分析具有至关重要的作用。

国内外学者对踏面滚动接触疲劳的形成机理进行了大量的研究分析，目前大多数研究在轮轨滚动接触疲劳微裂纹产生及其扩展方面，Johnson.K.L，Kapoor.A，Bold等[2-4]认为低循环疲劳以及棘齿状疲劳的形成是由于滚动接触副摩擦力较大，造成材料表面产生塑性流动，最后因累积变形达到材料的韧性极限导致产生裂纹。Alfredsson，Olsson[5，6]认为，裂纹产生于踏面粗糙引起的高应力集中。Dubourg等[7，8]认为，过载或者重载是造成裂纹形成的原因，而剪切应力在裂纹的形成上起到了至关重要的作用。

另外，在轮轨的滚动接触疲劳方面，金学松等[9]描述了三维弹塑性滚动接触疲劳的数值和试验方法，论述几种典型疲劳接触破坏现象，给出了我国部分铁路现场踏面的疲劳破坏调差报告;国外赤间诚，Ringsberg 等人[10，11]利用有限元技术和 Jiang-Sehitoglu 材料模型建立了轮轨滚动接触有限元模型，利用疲劳模型对其疲劳进行预测分析;Liu[12]通过对现有疲劳模型进行总结分析后提出了一种基于临界平面法的多轴高周疲劳裂纹萌生寿命模型;Bernasconi 等[13]运用了Dang-van 多轴疲劳模型和动力学，建立了一个关于评估在轮轨次表面滚动接触疲劳裂纹启裂的模拟程序;罗世辉[14]对DF21型内燃机车中间车轮踏面剥离现象进行了分析，认为该型机车中间车轮的滚动接触疲劳是由于车轮非正常的纵向颤振引起，通过降低中间轴球铰的刚度后，机车的运用里程超过25万公里仍未发生车轮踏面剥离现象。

为保障我国重要高速列车-CRH2型动车组车轮服役可靠性与安全性，本论文开展CRH2型动车组踏面滚动接触疲劳可靠性工作，同时对高速动车组轮轨疲劳分析的针对性研究较少，该分析结果为确定车轮的安全检修周期提供了一定的理论依据，对高速动车组的安全运行有实际指导意义。

1 滚动接触应力条件

CRH2拖车轮对集成有限元计算方法，采用轮轴集成有限元方法把滚子-滚道改为实体连接，轴箱-轴承-车轴-车轮-制动盘-钢轨构成整体，考虑复杂多重过盈配合及轮轨接触复杂关系，完成踏面滚动接触疲劳应力计算，如图1所示为踏面滚动接触疲劳最大剪应力分布。

2 载荷-结构应力谱

利用课题组提出的新的研究车轮载荷-结构应力谱计算方法，建立了踏面滚动接触部位服役应力谱转化关系：在nf个独立力元ng组随时间变化的载荷谱（Fi，k;i=1，2，…，nf，k=1，2，…，ng），选取轴箱横向力同向的nJ组（nJ>2nf+1）计算载荷组合（Fi，J;i=1，2，…，nf，J=1，2，…，nJ）。分别完成nJ次准静态有限元计算，通过有限元计算获得关心部位的计算载荷组合-应力（Fi，J-σJ）数据，应用下面公式拟合Fi，J-σJ数据：

将载荷谱代入上式，可获得结构关心部位的应力谱如图2。

3 滚动接触疲劳可靠性

运用超长寿命可靠性分析方法，利用预留计数法首先进行谱应力处理，得到应力幅、平均应力及中间应力谱（σai、σavi、ni，i=1，2，...，L），结合材料S-N曲线及Miner累积损伤准则，转换为当量循应力条件，采用正太分布表证期望寿命Ne下疲劳强度分布，如图3所示为踏面滚动接出疲劳可靠性分析逻辑流程。

表3给出了车轮滚动接触踏面以下2.0mm深处，在置信度分别为50%、90%和99%，可靠度为0.5-0.9999下的疲劳寿命预测结果。随着可靠度的增加，车轮辐板考察部位同样呈现结构安全寿命减小的趋势;车轮踏面滚动接触区域以下2.0mm深处在99%置信度和0.9999可靠度下，运行里程是3.29×103km。

4 结论

（1）考虑到轮对复杂的几何构成及服役功能条件，探索建立CRH2拖车轮对集成有限元模型，实现了车轮滚动接触疲劳应力的计算，考察了踏面滚动接触疲劳最大剪应力当量应力σS的分布情况。

（2）研究确定了CRH2型动车组拖车车轮踏面滚动接触部位服役疲劳可靠性寿命，包含50%、95%和99%置信度水平，存活概率为0.5、0.9、0.95、0.99、0.999和0.9999水平的十八组情况，证明了当轮轴表面光滑无缺陷条件下，在有效服务寿命范围内可高可靠性服役。

（3）计算分析了CRH2型动车组头车车轮踏面滚动接触部位疲劳可靠性，揭示了车轮踏面根部为表面切削和磨耗损失，近基圆和外侧出现剥离，拖车车轮踏面滚动接触部位的影响深度为2mm。

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