HXD3B型大功率機車車輪疲勞強度分析

摘 要:本文對HXD3B型大功率機車車輪(以下簡稱HXD3B型車輪)進行有限元分析，并給出了疲勞強度評定結果;提出了改進建議。

關鍵詞:機車 疲勞 有限元

中圖分類號:U264文獻標識碼:A文章編號:1674-098x(2011)04(a)-0113-02

近年來，我國鐵路貨車正快速地向著重載的方向發展，大功率機車在這方面的重要性日益凸顯。車輪作為大功率機車的一個重要部件，支撐著火車的全部重量，傳遞著牽引力，因此車輪的強度對火車的安全性、穩定性和牽引性有著重要的重要。

1 HXD3B型車輪分析

1.1 HXD3B型車輪結構

目前，大功率機車車輪共有7種輪型，輻板采用了4種形式，詳見圖1。輻板形狀對車輪的結構強度和剛度有較大的影響。較小的徑向剛度可使車輪具有較大的彈性，可以改善制動熱負荷作用下車輪的應力狀態和降低輪軌動作用力;較大的軸向剛度，可減少車輪的軸向變形，改善車輛運行性能，減少爬軌的可能性。HXD3B型車輪采用輻板形狀，上部安裝制動盤，下部分工藝孔用于輪軸反壓檢驗，反壓檢驗時，即通過輻板上的3個工藝孔向外拉車輪來實現的。

1.2 計算數據和載荷

①計算數據。HXD3B型車輪尺寸按現加工圖紙，有限元分析時取全磨耗車輪直徑1150mm;軸重25t;過盈量0.258mm。

②計算載荷。工況按直線工況、曲線工況和道岔工況3種工況來進行疲勞強度校核，各工況所受載荷如下:

工況1:直線(輪對對中);

工況2:曲線(輪緣靠鋼軌)，

工況3:道岔和道口(輪緣內側面接觸鋼軌)

其中:P為輪載荷，各力在同一斷面的作用位置見:圖1。有限元分析時在車輪n個斷面上施加圖2所示的3個機械載荷工況，構成3n個載荷步。

1.3 疲勞強度校核方法

1.3.1 非孔邊疲勞強度校核方法

對于非孔邊輻板上每個考察點:

1)動應力變化量

其中:—若i=j，為考察節點在3n個載荷步下最大的;若i≠j，為考察節點在最大的所在的工況(n個載荷步)下最大的; —考察節點在3n個載荷步下的應力張量分別向方向投影，投影的最小值。本文計算利用了車輪結構的循環對稱性。

2)基于Haigh曲線的疲勞安全系數

;

—最大應力與最小應力的平均值;—最大應力與最小應力構成的應力幅值。

將(:)插入Haigh曲線中，得到考察點的安全系數、、和。Haigh曲線見圖3。

其中:彈性極限;輻板許用應力幅值。

1.3.2 孔邊疲勞強度的Crossland準則

對于車輪輻板孔的疲勞驗證采用Crossland準則來考慮孔表面的多軸應力狀態。

其中:

安全系數:

取決于外界載荷

旋轉彎曲疲勞極限;脈動疲勞極限。

1.4 有限元模型

車輪按磨耗到限尺寸進行強度計算和分析。對實體模型劃分網格，形成有限元模型，輪軸選用SOLID45三維六面體單元進行網格劃分;選用三維面到面接觸單元CONTA174及目標單元TARGE170進行輪軸配合(過盈配合)部位的接觸模擬，通過接觸單元實常數設置過盈量。在輪對內側車軸截面(即整根車軸的中央斷面)上施加限制x、y、z移動的約束。

1.5 計算結果(見:表1)

方向應力圖見:圖5，對應Haigh曲線的安全系數見:圖5。

孔邊按crossland準則得出的安全系數見圖6，圖7。

2 結語

由上述分析結果可知，輻板在第1主應力方向上最大疲勞動應力變化量為360.04MPa，稍大于許用值360MPa;且Haigh曲線得到的安全系數也小于1。其它疲勞強度評定準則也可得出工藝孔處是輻板強度的薄弱處。可見工藝孔對車輪輻板的強度影響很大。因此，HXD3B型車輪應取消反壓檢驗的工藝孔，這樣可以提高車輪的強度，消除安全隱患。

參考文獻

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