42 t轴重重载车轮优化设计

贾月静

（太原重工轨道交通设备有限公司技术中心，山西 太原 030032）

重载运输是世界上铁路运输发展的重要趋势，可显著提高运输效率，特别是在幅员辽阔、矿产资源丰富的国家有着迫切的需求。目前，重载货运技术居于世界前列的国家澳大利亚，已经开始应用40 t轴重货运技术[1]。

车轮作为货车关键走行部件，随着货车速度和轴重的增加，车轮的热应力和机械应力也相应增加，这就要求车轮具有良好的承载能力及抗热裂性能[2]。

国外某客户为了降低运输成本，提出了42 t轴重车轮的需求。本文根据已有重载车轮设计经验，进行了42 t轴重车轮的设计优化，并采用AAR S-660、EN13979-1标准对其进行热机械强度及疲劳强度评估，确保设计轮型具有良好的安全可靠性。

1 车轮结构优化设计

1.1 设计输入参数

根据客户要求，所设计车轮为踏面制动，轴重42t，最大运行速度80 km/h，车轮滚动圆直径为970mm，磨耗到限直径为890 mm。

1.2 辐板结构设计

研究表明，S形辐板车轮比直辐板车轮具有更大的承载能力和更好的抗热裂性能[3-4]，因此将辐板结构设计为S形，初始方案设计如图1所示。

1.3 车轮强度校核

AAR S-660标准是美国铁路协会关于货车车轮分析评价的标准，其对机械载荷及热制动载荷均有定义。该标准没有绝对的评判依据，一般是将应力结果与直径及承载力较为接近的轮型结果进行对比，若新设计轮型若应力水平与对比轮型应力水平相当，则认为新设计轮型满足工况要求。因此，本文依据AAR S-660标准对该设计方案进行静强度及热机械强度的校核，并将计算结果与某运用良好的同直径车轮（Φ920 mm，轴重35.7 t，后续称“对比车轮”）计算结果进行对比。

1.3.1 计算模型

由于车轮为轴对称结构，因此取一半模型进行有限元分析。选择SOLID70单元进行温度场分析，选择SOLID185单元进行静强度、热机械强度分析，有限元模型如图2所示。

图2 AAR S-660有限元模型

1.3.2 材料参数

所有材料参数均依据AAR S-660标准中8.0节，见下页表1。

表1 材料参数

1.3.3 边界约束及工况

根据AAR S-660标准，对轮毂孔半径2.54 cm的节点进行位移约束，加载位置及数值如表2所示。

表2 加载位置及数值

1.3.4 计算结果

经过对新轮及磨耗到限车轮的计算，辐板应力结果如表3所示，温度及辐板应力云图如图3、图4所示。

表3 AAR S-660标准下车轮辐板等效应力 kps i

图3 磨耗轮温度（℉）场分布

图4 磨耗轮TH工况下应力（ps i）分布

图5 磨耗轮V2+TH工况

从表3可以看出，初次设计轮型其磨耗到限状态的最大应力比对比车轮高12.6 kpsi，因此仍有优化空间。

1.4 车轮辐板优化

基于初始设计方案的有限元分析结果，对车轮辐板形状进行了一系列优化设计，图6为轮型优化设计过程，表4为车轮磨耗到限状态时各设计方案的辐板应力及温度场结果。

图6 轮型优化设计示意图

表4 各设计方案辐板应力结果及车轮温度场结果

从图6及表4结果可以看出，降低轮毂侧辐板或提高轮辋侧辐板，均有利于降低车轮的整体应力水平，随着轮毂侧辐板与轮辋侧辐板落差的增大，车轮应力水平逐渐降低。第二次与第三次优化设计方案应力水平相当，均低于对比车轮应力。

2 疲劳强度评估

车轮在运行过程中，不只承受重载带来的严苛制动热应力，在经历直线、曲线、道岔等工况时，其各点的应力呈交变应力状态，属于多轴疲劳[5]，因此有必要对车轮的疲劳强度进行评估。目前国际上普遍采用EN13979-1标准进行车轮的疲劳强度评估。

2.1 计算模型

根据实际经验，车轮磨耗到限状态比新造状态更危险，因此以磨耗到限车轮为有限元分析对象，取1/2车轮和1/4车轴建立实体模型，选用SOLID185实体单元划分网格；选用面对面接触单元CONTA174及目标单元TARGE170进行轮轴过盈配合部位的接触模拟，通过接触单元实常数设置过盈量。有限元模型如图7所示。

图7 EN13979-1有限元模型

2.2 加载及约束

车轮分别会经历直线、曲线、道岔3种工况，各工况轮轨力以集中力的方式被施加在踏面上，关于轮轨力，在EN13979-1中已有明确说明，此处不再赘述。在轮轴对称面上施加对称约束，在轮座内侧车轴截面上施加限制x、y、z位移约束。

2.3 计算结果

在静强度的基础上，对结果数据进行编程，得到两种设计方案的疲劳强度，其静强度及疲劳强度结果如表5、图8、图9所示。

图8 ∆σ11应力（Pa）对比

图9 ∆σ22应力（Pa）对比

表5 车轮初始设计方案静强度计算结果 MPa

从表5可以看出，第三次设计方案的静强度及疲劳强度均有所降低。从制造角度看，第三次设计方案将毂径处的角度由11°改为13°，更适合锻造生产。因此，无论是从热机械性能、疲劳强度还是制造方面考虑，第三次设计方案均为最优方案。

3 结论

1）采用AAR标准与EN标准相结合的方法对车轮结构进行评估，本设计结构具有良好的热机械强度及疲劳强度。

2）通过一系列的优化设计，有效降低了车轮应力水平，得到车轮辐板各部位参数对车轮应力的影响规律，为后续车轮设计提供一定的参考。