地铁车辆全磨耗车轮辐板的疲劳强度研究

王景振

摘要：地铁车辆车轮在运营过程中，受其自身转动及在直线、曲线、道岔等工况下的交变载荷，会产生车轮辐板的多轴交变应力。在轨道车辆车轮辐板上，疲劳裂纹方向均沿车轮的周向方向呈现，该种疲劳裂纹是由与该裂纹垂直的径向应力为主要原因所致，则将多轴应力转化为单轴应力。参照相关标准，对地铁车辆全磨耗车轮辐板进行了应力计算和疲劳分析。结果表明，车轮辐板均满足静强度要求和疲劳轻度要求。根据分析情况，为地铁车辆车轮的日常检修的重点部位提供了参考依据。

关键词：地铁车辆;全磨耗车轮;疲劳分析;车辆检修

0  引言

随着地铁车辆的运营里程的不断增加，车轮在复杂工况条件下会受到多轴交变应力。在轨道车辆车轮辐板上，疲劳裂纹方向均沿车轮的周向方向呈现，该种疲劳裂纹是由与该裂纹垂直的径向应力为主要原因所致，则将多轴应力转化为单轴应力。主要计算全磨耗车轮（Φ770）在不同运行工况下的车轮机械疲劳强度，考查的指标主要有车轮辐板各位置的等效应力、主应力幅值及均值。

1  车轮数值计算模型

1.1 车轮有限元模型

数值分析模型取单个全磨耗车轮模型，车轮踏面为LM型。在对车轮进行应力分析时，约束车轮轮轨内侧面，对车轮踏面某位置处加载，提取车轮辐板一周的节点应力即为车轮滚动一周的接触状态。数值分析模型采用8节点6面体实体单元进行划分，如图1所示。全磨耗车轮的有限元模型有121760个节点和110400个。结构中的倒角、倒圆、注油孔等不影响计算结果，则在分析模型中未考虑在内。

1.2 计算参数

全磨耗轮直径为770mm，车轮轴重为14t，密度7800kg/m3，车轮采用材料为CL60，弹性模量为205GPa，泊松比为0.3。

1.3 受载情况

地铁车辆在线路上运行过程中，运行线路的钢轨对车轮会产生垂向载荷和横向载荷。因此，采用UIC510-5标准，对车轮在以下三种轮轨力载荷工况作用下的车轮应力进行了加载计算（M为车轮轮重），确定加载位置和车轮节点位置方向关系，如图2所示。

2  评价方法及指标

2.1 车轮辐板静强度评价方法

依照UIC510-5标准，其评价车轮静强度的依据为车轮最大Von Mises应力应小于需用应力。

根据《机械设计手册》推荐，CL60钢的σs/σb=400/715=0.56，这里选取安全系数为1.3。因此，对于车轮辐板等效应力评价为：

σeq≤[σ]=σs/S=307.7MPa

2.2 车轮辐板疲劳强度评价方法

基于結构疲劳裂纹扩展方向与最大主应力相互垂直的机理，将多轴应力状态转化为单轴应力状态来评价疲劳强度。

3  全磨耗车轮计算

在直线工况下，车轮辐板最大等效应力位置出现在车轮辐板与轮毂接触的过渡圆角外侧，其最大值为41.7MPa，其值符合车轮辐板静强度值要求。由于车轮辐板采用S型结构，圆角位置为应力集中处，如图3所示。

车轮在直线工况下的疲劳及动态应力幅值均远小于极限值，均在要求范围内，符合评定标准，如图4所示。

在轨道车辆车轮辐板上，疲劳裂纹方向均沿车轮的周向方向呈现，该种疲劳裂纹是由与该裂纹垂直的径向应力为主要原因所致，则对车轮辐板的径向应力进行了计算，图5为全磨耗车轮在直线工况下的车轮辐板径向应力场，车轮辐板与轮毂过渡的内圆角处产生最大径向拉应力（28MPa），外圆角处产生最大径向压应力44.2MPa。

由于车轮辐板与轮毂及轮辋相连接的过渡圆角处，有应力集中，属于车轮结构相对危险位置，现对辐板与轮辋及轮毂连接处的过渡圆角进行定义，内外圆角分别为位置1、2、3、4，如图6所示。

为使计算结果便于说明，将车轮加载位置所指方向与车轮上节点与车轮中心连线方向的夹角作为提取结果曲线的横坐标，定义方式示如图7所示。

选取相对应辐板圆角处四个位置相对最大径向应力值得节点，在车轮滚动一周时的径向应力曲线如图8所示。

如图8所示，在车轮旋转的过程中，即使车轮与线路钢轨之间的作用载荷大小不变，车轮仍将受到交变应力。车轮在直线工况下运行时，当车轮加载位置位于节点所在截面正下方时，外圆角位置1受最大的压应力作用，且其变化幅值高于位置4的径向压应力，内圆角位置2受拉应力，外圆角位置3也受的拉应力，但其值相对较小，从整体来看，应力变化也较小。轮轨力作用位置随着车轮旋转发生变化，应力逐渐减小。当作用点位置位于截面的正上方时，位置2、3由之前的拉应力变为压应力，位置3、4由受压变为受拉。在车轮旋转的过程中，车轮辐板各点会产生交变应力，并不断循环，直线工况中车轮辐板与车轮轮毂过渡的圆角处相对变化较大。

4  疲劳强度评价

在直线、曲线、道岔等工况下，全磨耗车轮辐板疲劳强度分析见表1。

5  结束语

通过对全磨耗车轮辐板在直线、曲线、道岔工况的受力分析和疲劳强度的计算分析及评价，全磨耗车轮辐板均满足静强度要求和疲劳强度要求。根据分析情况，为地铁车辆车轮的日常检修的重点部位提供了参考依据。

参考文献：

[1]UIC510-5-2007，Technical Approval of Monobloc Wheels[S].

[2]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，2007.

[3]刘会英，张澎湃，米彩盈.铁道车辆车轮强度设计方法探讨[J].铁道学报，2007，29（1）：102-108.