客车轮轴过盈配合面应力有限元分析

皮 特 ，李引弓

（1.湖南铁路科技职业技术学院，湖南 株洲 412006；2.广州铁路集团公司长沙车辆段，湖南 长沙 410034）

0 引言

客车轮对是铁路客车转向架的重要组成部分，它既要承担铁路客车车辆的全部质量包含自重和乘客重量，又要引导铁路客车车辆在钢轨上滚动完成铁路客车车辆高速运行[1-2]。铁路客车轮对由一根车轴和两个相同的车轮组成，在轮轴的结合部位采用过盈配合，用车轴压装机将车轮压装在车轴两端，使车轴和车轮牢固地结合在一起，为保证行车的绝对安全，绝对不允许有任何松动现象发生[3]。

客车轮对采用过盈配合来传递轴向力和扭矩，它利用过盈量在半径方向产生接触面压力，并由这两个接触面上产生的摩擦力来传递扭矩和轴向力[4-5]。这类问题是接触非线性问题，由于很难对其应力状态进行测定，一般是凭借实践中的经验来选取过盈量的大小[6]。随着非线性有限元技术越来越成熟，可以采用有限元技术解决上述问题。本文使用Simulation有限元软件来求解不同过盈量下，客车轮对压装后轮毂孔上接触应力的大小以及应力的分布情况。

1 过盈配合理论分析

在过盈配合中，两个接触面的受力情况如图1所示，简化模型做出如下假设。两个部件在轴向方向长度一样，再就是过盈量大小相等，接触面上的应力跟应变大小相等且分布均匀，并且包容件的厚度较大[7]。两个部件处于弹性变形阶段，依据弹性力学可以得到接触面的接触应力情况。

图1 接触面应力分布情况

该模型属于弹性力学平面问题，依据物理方程、几何方程和静力方程可以推导出公式如下所示：

其中：pi为接触面压应力，δ为过盈量，a为轴内半径，b为接触面半径（b=0.5d），c为轴套外半径，E1和E2为轴套与轴的弹性模量，μ1和μ2为轴套与轴的泊松比。

2 研究对象

本文以应用在209T转向架上的RD4轮对作为研究对象，在SolidWorks三维软件中的建模如图2所示。其中轴颈中心距离为1 956 mm，轴颈直径为130 mm，轴颈长度为195 mm。车轴由中心孔、轴颈、轴颈后肩、轴座前肩、轴座、轴座后肩、轴身等组成。车轴的主要尺寸d×l×L为130×195×1 956，轴重为18.0 t。按照TB/T 2817—1997，车轮有KDS型号，安装在RD4型车轴上，客车车轮由踏面、轮缘、轮辋、辐板、轮毂和轮毂孔组成。客车车轮使用磨耗型踏面车轮，轮辋宽度为135 mm，轮缘高度为27 mm，轮缘厚度为32 mm，车轮直径为915 mm[8]。

图2 客车轮对三维模型

3 有限元模型建立

在完成三维建模后，需要进行特征清除，合并或者消除在分析中认为不重要的几何特征。再通过离散化过程，将几何模型分成有限单元，也就是网格划分。在该有限元分析中，最重要的是在车轮跟车轴之间建立正确的接触关系，本模型中接触面采用的是冷缩配合方式。为了计算结果的收敛，同时降低计算机计算时间，需要设计合理的网格大小。本模型中外力矩和外力作用处于平衡状态，忽略外力矩和外力作用，在固定几何约束中，设定车轴截面为固定面，模型如图3所示。

图3 客车轮对网格及约束

在Simulation有限元分析软件中设置车轮车轴的材料属性参数，如表1所示。

表1 材料属性参数

4 有限元结果及分析

4.1 等效应力应变云图

为了分析客车轮对在压装后接触面应力分布情况，本文只改变过盈量的大小，其他条件都保持不变。在过盈量数值大小的选取中，依据TB/T 1718—2003《铁道车辆轮对组装技术条件》[9-10]，设定过盈量数值大小分别为0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm。图4是当过盈量为0.2 mm的时候轮对压装后接触面上主要应力和应变云图，此时最大单元大小为20 mm，最小单元大小为15 mm，节总数为147 859，单元总数为97 154，网格的最大高宽比例为6.220 2。从中可以看出客车轮对压装后在车轮车轴的接触面上的应力应变是最大的，最大等效应力为234.1 MPa，最大应变是0.000 900 3 mm。

图4 客车轮对应力应变分布云图

4.2 等效应力轴向分布规律

图5是三种过盈量时轮轴压装后接触应力的分布曲线，图中横纵坐标分别是轮对轴向距离和接触应力。通过观察图5的曲线，可以发现在3个过盈量下，应力的分布规律是相似的，呈现轮毂轴向上两边应力大，中间应力小的规律。这个时候没有考虑轮对材料的塑性变形，材料处于弹性变形阶段，此时过盈量只影响应力应变的大小，不会改变分布规律。从图中还可以发现，当过盈量数值增大时候，轮对接触面应力也会相应增大。

图5 轮毂应力分布曲线

5 结论

1）利用有限元分析软件解决了客车轮对压装后接触面应力应变难以测量的问题，得到的数值为铁路现场轮对压装过盈量的选取提供一定依据。

2）发现了客车轮对接触应力分布不均匀，接触应力分布呈现两边大，中间小的规律。接触应力的大小跟过盈量数值大小的关系为：当过盈量数值增大时候，接触应力也会相应增大，接触边缘的应力集中会更加明显。