基于ANSYS的高速動車車輪強(qiáng)度分析

黃 飛，何忠韜，臧國群

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

高速列車輪對是轉(zhuǎn)向架的重要組成部件，是影響車輛運行安全的關(guān)鍵部件之一。動車組車輪承受車輛與線路間相互作用的全部載荷及沖擊，與鋼軌形成粘著產(chǎn)生牽引力或制動力，輪對滾動使車輛前進(jìn)。隨著列車速度的提高、軸重的增大，輪對所承受的負(fù)荷越來越惡劣，其暴露在疲勞可靠性方面的問題越來越多。為確保鐵路車輛的運行安全，就必須對輪對的安全性、可靠性設(shè)計提出更高的要求。本文基于ANSYS，以CRH1型動車的拖車車輪為研究對象，對輪對的過盈配合以及車輪靜強(qiáng)度進(jìn)行有限元計算分析，采用UIC510－5標(biāo)準(zhǔn)對車輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析評價。

1 輪對技術(shù)設(shè)計說明

CRH1型拖車車輪采用整體軋制車輪，車輪踏面是按照LMA型踏面鏇制的，輪輞厚度為135mm，車輪的公稱直徑為Φ915mm。車輪用R8T牌號鋼制造，其彈性模量E＝206 000N／mm2，泊松比v＝0．29。車軸按照EN 13261NORM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，材質(zhì)為EA4T。輪對主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 輪對主要技術(shù)參數(shù)

2 車輪的ANSYS強(qiáng)度分析

2．1 車輪有限元模型的建立

將Solidworks中建好的輪對三維模型導(dǎo)入ANSYS中，對車輪的材料屬性進(jìn)行設(shè)置，基于車輪的結(jié)構(gòu)特點，采用自動劃分法對車輪進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。設(shè)置最小單元尺寸為15mm，得到離散模型的單元數(shù)為155 511，節(jié)點個數(shù)為235 154。離散后的車輪有限元模型見圖1。

圖1 車輪離散模型

2．2 輪軸過盈應(yīng)力分析

輪軸過盈配合接觸問題是非線性接觸問題，輪軸是通過接觸面壓力產(chǎn)生的摩擦力來傳遞扭矩和軸向力的。在ANSYS計算過盈配合接觸時，能得到接觸面之間的壓力。按照CRH1動車組技術(shù)資料和相關(guān)UIC標(biāo)準(zhǔn)，新車輪和磨耗到限車輪的輪軸之間的過盈量分別取0．3mm和0．24mm，在軸向方向上，CRH1動車組拖車車輪輪轂長度為170mm。CRH1動車組拖車輪軸之間的過盈量為0．24mm時的Von Mises應(yīng)力云圖如圖2所示，其最大等效應(yīng)力為192．26MPa。輪軸之間的過盈量為0．3mm時的Von Mises應(yīng)力云圖如圖3所示，其最大等效應(yīng)力為192．39MPa。

圖2 過盈量為0．24mm時Von Mises應(yīng)力云圖

2．3 車輪在直線運行工況下的應(yīng)力分析

軌道對車輪徑向和橫向作用力、不同的輪對壓裝過盈量、高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力等均對車輪的應(yīng)力分布有著很大的影響。

圖3 過盈量0．3mm時Von Mises應(yīng)力云圖

2．3．1 車輪接觸斑計算

根據(jù)Hertz接觸理論對輪軌滾動接觸斑進(jìn)行計算。由式（1）定義兩個常數(shù)A和B，它們是可以表示主曲率平面間夾角的函數(shù)。

其中：Rw為車輪的滾動圓半徑，與車輪的名義半徑有關(guān)；γw為車輪踏面斷面外形半徑；γr為軌頭橫斷面外形半徑。

對于車輪和鋼軌，可以認(rèn)為兩者的彈性模量E和泊松比v相同。由式（2）定義常數(shù)κ：

κ＝2（1－v2）／（πE）。 （2）………………………

假定輪軌在滾動接觸過程中，其接觸符合Hertz的兩彈性體接觸形狀與尺寸，那么接觸橢圓的長、短半徑按Herzt接觸理論有：

其中：a為橢圓的長半軸；b為橢圓的短半軸；N為輪軌接觸斑法向力；m、n是與A、B有關(guān)的系數(shù)。

先求出β，對應(yīng)不同的β值，m和n可由已知的數(shù)表確定。確定出m和n值后，利用式（3）可以確定出a和b。

根據(jù)輪對的技術(shù)參數(shù)，取Rw＝457．5mm，γw＝380mm，γr＝300mm，N＝88 800N，E＝206 000N／mm2，v＝0．29。由這些數(shù)據(jù)計算得到β＝59．03，m＝1．511，n＝0．709，a＝11．23mm，b＝5．27mm。

2．3．2 車輪受力

車輪在直線上運行受到的力有：輪軌垂向力Fz＝88 800N，輪軌橫向力Fy＝0kN。

2．3．3 約束處理

根據(jù)車輪實際運用情況和受力狀態(tài)，在軸的兩個端面加固定位移約束。

2．3．4 靜強(qiáng)度計算結(jié)果

計算復(fù)雜應(yīng)力構(gòu)件時，需求出當(dāng)量應(yīng)力（Von Mises應(yīng)力），此應(yīng)力不得超過許用應(yīng)力。當(dāng)量應(yīng)力的計算公式為：

其中：σi為主應(yīng)力（i＝1，2，3），MPa。

通過有限元計算，車輪在直線運行工況下，輪軸之間過盈量為0．24mm時的Von Mises應(yīng)力云圖如圖4所示。過盈量為0．3mm時的Von Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。

3 靜強(qiáng)度分析及評定

為使車輪滿足運行強(qiáng)度要求，車輪各關(guān)鍵部位的當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)均低于所選材質(zhì)的許用應(yīng)力。UIC510－5評價標(biāo)準(zhǔn)是：車輪輻板上所有節(jié)點的動應(yīng)力范圍Δσ應(yīng)低于許用應(yīng)力，即：①用加工中心加工的車輪Δσ＜360 MPa；②未用加工中心加工的車輪Δσ＜290MPa；③最大Von Mises應(yīng)力低于車輪材料彈性極限（355 MPa）。

根據(jù)ANSYS分析得：輪軸過盈配合最大Von Mises應(yīng)力為192．39MPa，車輪在直線運行工況下最大Von Mises應(yīng)力為309．39MPa，其最大 Von Mises均小于355MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求。

圖4 直線運行工況下過盈量為0．24mm時應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

通過ANSYS計算分析表明，CRH1型動車拖車車輪設(shè)計的靜強(qiáng)度滿足運用要求。用有限元方法對車輛車輪的強(qiáng)度分析和評定方法能夠更加合理地反映車輪的實際受力狀況，對提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性有著重要意義。

圖5 直線運行工況下過盈量為0．3mm時應(yīng)力云圖

［1］ 王伯銘．高速動車組總體及轉(zhuǎn)向架［M］．成都：西南交通大學(xué)出版社，2008．

［2］ 任尊松．車輛系統(tǒng)動力學(xué)［M］．北京：中國鐵道出版社，2007．

［3］ 商躍進(jìn)．動車組車輛構(gòu)造與設(shè)計［M］．成都：西南交通大學(xué)出版社，2010．