注油孔对机车车轮疲劳强度的影响

李前，姚银，徐艳晖

(中车大同电力机车有限公司 研究院，山西 大同 037038)

车轮是机车走行部关键部件之一，是机车直接与钢轨接触部分，机车的牵引、加速及制动都是依靠轮轨接触的相互作用传递切向力来实现的.所以在机车车轮设计和制造时应充分考虑并验证每一个细节，以确保机车的运行安全[1].

每个车轮上都设有一个注油孔，主要为组装和拆卸使用.注油孔设置位置一般都在轮毂上，其体积约占车轮轮毂体积的0.04%.其体积相对车轮轮毂占比很小，所以正常情况下车轮从设计、仿真分析、机械加工对注油孔都不会被重点关注，但往往就因为这样一个小细节未关注，也会造成严重后果.

本文主要以一种电力机车车轮加工后进行整体疲劳试验时，注油孔位置处发生裂纹，导致试验未通过为实例.经分析研究，确定了故障原因并提出改进措施，进而探讨注油孔对机车车轮疲劳强度的影响，以避免因注油孔而导致故障的发生.

1 车轮注油孔位置及裂纹情况

本文所述车轮材质为R9T，符合标准UIC 812-3和TJ/JW 038-2014.车轮轮缘踏面外形采用符合TB/T449中的JM3 磨耗型踏面.该车轮采用直辐板结构，注油孔位置在车轮辐板和毂孔连接的圆弧与轮毂交接处，注油孔中心线与毂孔中心线呈60°，注油孔与车轮外表面车有φ25 mm锪平面，其粗糙度规定为Ra12.5，如图1所示.

图1 车轮注油孔位置

车轮在装车运行考核前，按相关标准要求对车轮进行整体疲劳试验，以验证车轮的可靠性.该试验采用旋转弯曲疲劳试验方式，试验时在如图2中A、B位置处粘贴应变片，试验时车轮辐板径向应力幅值为240 MPa，其循环比R=-1，试验循环次数为107次.

图2 车轮疲劳应变片粘贴位置

当该车轮疲劳试验进行至200万次时，发现车轮注油孔位置及注油孔背面位置处发生贯穿裂纹，如图3、图4所示.

图3 试验车轮注油孔处裂纹 (应变片A侧)

图4 试验车轮注油孔背面位置处裂纹(应变片B侧)

2 车轮裂纹原因分析

2.1 车轮机械性能分析

针对该故障，按照该车轮执行标准进行了机械性能检验.主要检验项目有化学成分、低倍、金相组织分析.

(1) 化学成分

经对该车轮化学成分分析，裂纹车轮的化学成分符合要求,排除了材料杂质含量过高,导致材质性能指标劣化的可能性，各化学成分结果见表1所示.

表1 化学成分分析结果 %

(2) 低倍组织

依据 TB/T 3031—2002进行车轮低倍组织评定，采用工业盐酸水热蚀方式[2].结果显示除辐板处有可见疲劳裂纹以外，车轮低倍组织满足标准要求，低倍组织见表2、图5所示.

表2 低倍组织结果

图5 低倍组织

(3) 金相组织

对车轮辐板疲劳开裂处和未发生开裂处取样进行金相检验，车轮辐板开裂处未见冶金缺陷，开裂处和未开裂处金相组织均为珠光体+少量铁素体，满足标准要求.金相组织如图6所示.

(a) 辐板开裂处 (b) 辐板未开裂处图6 金相组织

根据分析结果可知，该车轮化学成分、低倍组织、金相组织均满足标准要求.可以排除该车轮疲劳试验时注油孔位置处出现的裂纹不是车轮材质缺陷存在不合格项而导致.

2.2 断口分析

为找到车轮裂纹原因、定位裂纹起始点及断裂形式，对该故障车轮裂纹位置解剖后进行断口分析，采用锯切法将辐板裂纹打开，对断口宏、微观形貌进行分析.

断口宏观形貌：经目测观察分析，确定断口属于疲劳断裂，可明显观察到断裂起源于辐板注油孔处.其中发现注油孔加工刀痕明显，沉孔外圆角处有尖角，目测表面粗糙度已超出图样规定Ra12.5.

断口微观形貌：经采用SEM断口分析，在同样放大倍数(50 μm)疲劳起源处断口较平坦，疲劳扩展区可见疲劳辉纹.根据断口宏、微观形貌，可确定疲劳断裂起源于注油孔表面加工刀痕处.断口宏观形貌见图7所示.

图7 断口宏、微观形貌

经对故障车轮断口进行宏观和微观形貌分析，确定疲劳断裂点起源于辐板注油孔处，初步判断注油孔处加工刀痕明显、粗糙度超出图样要求，是车轮失效的主要原因.

2.3 失效车轮建模仿真分析

本文分析车轮疲劳试验运用的工具是ANASYS Workbench限元分析软件[3]，建模边界条件参照车轮试验试验大纲规定，模拟车轮疲劳试验时，保证车轮辐板上径向应力的幅值为240 MPa，对注油孔位置处的应力状态进行分析，有限元模型如图8所示.

图8 有限元仿真模型

在模拟车轴轴端处加载，使试验车轮辐板A、B位置的应力达到±240 MPa时，无注油孔模型分析结果表明，车轮辐板处注油孔位置处应力为104 MPa，见图9所示；有注油孔模型分析结果表明， 车 轮 辐板处注油孔φ25锪平面R2.5位置处应力最大已达到337 MPa，见图10所示[4].根据相关试验表明，材质为R9T车轮辐板屈服强度约为380～420 MPa，注油孔处最大应力小于车轮辐板屈服强度.

图9 无注油孔模型分析结果

图10 有注油孔模型分析结果

2.4 与其他车轮建模仿真分析对比

因无标准可依，为验证该失效车轮注油孔处应力是否合适，故选取其他4种已成熟应用的电力机车车轮进行建模对比分析，每个车轮辐板径向应力都达到试验要求的±240 MPa时，各车轮注油孔边缘位置(R1、R2)、辐板厚度及注油孔处位置厚度(T1、T2)、辐板处注油孔应力大小对比如图11和表3所示.

图11 车轮注油孔边缘位置、车轮辐板厚度及注油孔处位置厚度

经与其他4种车型已成熟应用车轮注油孔处辐板厚度及径向应力大小对比可知，失效车轮注油孔处厚度相对偏小约11.52～24.35 mm，此处的径向应力也相对偏大4～81.4 MPa，所以失效车轮辐板注油孔处强度相对薄弱.从仿真分析结果可以看出，车轮注油孔本身会存在一定的应力集中，注油孔位置若处于疲劳应力相对较高的区域，两者产生叠加效果，增加了车轮疲劳失效的风险[5].

表3 与其他机车车轮计算对比

3 结论

针对本次车轮疲劳试验失效实例，经分析找到了车轮裂纹的主要原因，裂纹产生的原因是，注油孔孔边是车轮受力的薄弱位置，而在加工时未做任何处理，加剧了局部的应力集中，导致在车轮做疲劳试验时，注油孔孔边局部应力超出了材料的疲劳极限，从而在试验过程中产生疲劳裂纹[6].针对该失效原因，给出了车轮注油孔设计建议如下：

(1) 车轮设计时应考虑对注油孔角度进行调整，将注油孔入口位置尽量避开高应力区.建议尽量能远离辐板与毂孔连接圆弧[7-8];

(2) 车轮仿真分析时需关注注油孔处的应力情况，防止注油孔处于高应力区;

(3) 车轮注油孔加工时应提高锪平面及圆弧处粗糙度.另外对注油孔与车轮辐板面处棱边进行打磨处理，保证圆滑过渡，避免应力集中.