CRH5型高速動車組車輪輪輞疲勞壽命分析

張廷秀，陳換過，蔡 麗，張 文，陳 培

（浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018）

CRH5型高速動車組車輪輪輞疲勞壽命分析

張廷秀，陳換過，蔡 麗，張 文，陳 培

（浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018）

根據國內外車輪相關標準，采用基于有限元法的疲勞壽命分析方法分析了動車組車輪輪輞疲勞壽命。根據UIC510-5和BS EN13979標準，確定了車輪運行過程中的載荷工況，進而編制了動車組車輪在不同工況下的載荷譜。借助有限元軟件分析了不同工況下動車組車輪的應力狀態并獲得了輪輞危險部位的應力譜，結合輪輞材料的S-N曲線和Miner法則對直道、彎道和道岔工況下車輪輪輞危險部位的疲勞壽命進行了估計。結果表明：道岔工況對輪輞危險部位壽命影響最為嚴重，而直道和彎道的影響相對較小。分析結果為確定車輪的安全檢修周期提供了一定的理論依據，對高速動車組的安全運行有實際指導意義。

高速動車組；輪輞；載荷譜；有限元；疲勞壽命

0　引 言

經過幾十年的不斷發展，我國高速鐵路建設已經躋身世界高速鐵路的強國之列。車輪在高速動車組列車的安全運行中起著至關重要的作用。然而，隨著動車組逐漸向高速化發展，車輪輪輞中的問題也隨增多，嚴重影響了列車的運行安全［1］。輪輞的主要失效形式是輞裂，輞裂是由車輪接觸疲勞而引起的踏面深度剝離，因此對輪軌接觸區周圍輪輞部位的疲勞強度和壽命的分析是研究車輪輞裂的重要內容。

國內外學者針對車輪的疲勞強度和壽命做了大量研究，研究內容主要集中在基于國內外標準的車輪疲勞強度分析和基于載荷譜的車輪疲勞壽命分析。李樹林等［2］依據國內外相關標準對CRH3型動車組車輪進行了疲勞強度評定，依據Miner法則分析了車輪的疲勞壽命預測圖；Liu等［3］提出了鐵路車輪的高周疲勞壽命預測方法，確立了輪對的三維彈塑性有限元模型；梁紅琴等［4］參考EN 13979-1的強度校核方法，分析了車輪在直線、曲線及道岔三種運行工況下車輪考察部位的動應力變化范圍，探討了車輪的疲勞強度評定方法；Seo等［5］采用有限元法計算了車輪的殘余應力，并通過疲勞極限圖對車輪的疲勞強度進行評定；劉旭等［6］分別采用基于單軸疲勞理論的車輪疲勞強度評定準則和Dang-Van多軸高周疲勞評定準則對同一車輪進行疲勞強度計算，并比較兩者的安全度和適用范圍。這些研究大多以整個車輪為研究對象，而針對輪輞危險部位疲勞強度和壽命的研究相對較少，更缺乏針對具體某個型號的車輪輪輞的研究。

根據國內外的大量案例分析可知，輪輞最容易出現輞裂的部位是距踏面以下15 mm左右的位置，因為該部位容易存在夾雜物且應力值相對較大。針對這種情況，本文以CRH5型高速動車組車輪為研究對象，參考國內外的相關標準，結合車輪材料的S -N曲線和Miner法則，對車輪輪輞踏面下15 mm這一危險部位進行壽命估計。

1　車輪的載荷工況及載荷譜

1.1車輪的載荷工況

國外相關標準UIC510-5和BS EN13979對車輪運行中的直道工況、彎道工況和道岔工況下載荷的位置和方向做了相關規定，如圖1所示，并對三種工況載荷的計算方法做了相關規定，計算公式如下：

直道工況1：

彎道工況2：

EZ=1.25Pg/2；EY2=0.7Pg/2（導向輪）或EY2=0.6Pg/2（非導向輪）（2）

道岔工況3：

EZ=1.25Pg/2；EY2=0.42Pg/2（導向輪）或EY2=0.36Pg/2（非導向輪）；EY3=0.6Pg/2（導向輪）或EY3=0.6Pg/2（非導向輪）（3）

式（1）-（3）中：EY為等效橫向力，EZ為等效垂向力，P為軸重，g為重力加速度。

圖1　直道、彎道和道岔工況載荷的位置和方向（單位：mm）

1.2不同工況下車輪的載荷譜

對不同國家的高速列車技術參數分析可知，當列車運行速度達到350 km/h級別時，最大軸重一般要控制在17 t以內［7］。故可以據此求得靜載工況下列車車輪的最大載荷，之后可由式（1）-（3）求得車輪在不同動載工況下的最大動載荷；再結合文獻［8］中編制載荷譜的方法以及參考四方車輛研究所測得的同類車輛的實際載荷譜，可編制出車輪的載荷譜。

當列車軸重為最大軸重17 t時，考慮列車輪對的自重，約為P0=1.47t，取導向輪進行研究，由式（1）-（3）可得到車輪在不同動載工況下的最大動載荷：

直道工況：EZ=1.25（P+P0）g/2=115437.5N，EY=0N；

彎道工況：EZ=1.25（P+P0）g/2=115437.5N，

EY2=0.7（P+P0）g/2=64645N；

道岔工況：EZ=1.25（P+P0）g/2=115437.5N，EY2=0.42（P+P0）g/2=38787N，EY3=0.6（P+P0）g/2=54410N.

根據相關統計［8］，列車在一年的時間里大約運行3×105km，每千米會發生約350次載荷循環，每106次載荷循環會發生一次最大的載荷，故第一級最大載荷的循環數大約為105次，由此可根據載荷循環比得到列車運行一年的時間里各級載荷的頻次。

根據文獻［8］可知各級載荷比及其對應的循環數比，如表1所示。

表1　各級載荷比及其循環比

由表1各級載荷比及其對應的循環數比，結合前文求得的不同工況下車輪的最大動載荷（最大動載荷包括最大垂向載荷和橫向載荷），可得到各工況的垂向載荷譜和橫向載荷譜。各工況的垂向載荷和橫向載荷及其對應的頻次，如表2、表3和圖2所示。

表2　直道、彎道和道岔工況垂向載荷譜FZi

表3　彎道、道岔工況橫向載荷譜FYi

圖2　直道、彎道和道岔工況載荷

2　有限元分析

2.1有限元模型的建立及網格劃分

本文所研究的車輪為CRH5型高速動車組車輪，車輪的設計和制造按標準UIC510-5和BS EN13979執行，車輪踏面采用XP55磨耗型踏面，允許磨耗量為40 mm，滾動圓直徑為Φ890 mm。

在三維實體軟件Pro/E里建立半輪對三維模型，導入有限元分析軟件ANSYS里處理后進行網格劃分和材料參數設置。單元采用三維實體solid187單元。輪軸的彈性模量為E=2.1×105MPa，泊松比為μ=0.3。根據輪軸的實際運行狀況，在車軸的軸箱處施加固定約束，不同運行工況下車輪上施加的載荷位置及方向如圖1所示，有限元模型如圖3所示。

圖3　輪軸的有限元模型

2.2輪輞危險部位的最大應力譜

通過ANSYS軟件分別對直道、彎道和道岔工況的各級載荷進行加載計算。直道工況第一級載荷作用下，危險部位（距踏面15 mm）及其von Mises應力云圖如圖4所示。提取三種工況各級載荷作用下輪輞危險部位的最大von Mises應力值，經過分析得到輪輞的應力譜，如表4所示。直道工況輪輞的應力譜如圖5所示，其中n1-n8為各級應力對應的頻次。

圖4　直道工況第一級載荷作用下輪輞危險部位及其應力云圖

表4　直道、彎道和道岔工況輪輞的應力譜

圖5　直道工況輪輞的應力譜

3　車輪輪輞的疲勞壽命估算

線性疲勞累積損傷理論認為，在循環載荷作用下，各應力之間都是相互獨立的，疲勞損傷可以線性累加，當累積到一定程度時試件或構件就發生疲勞破壞。

3.1不同工況的各級載荷下的壽命估計

得到輪輞危險部位的應力譜后，可根據車輪輪輞材料的S-N曲線估計出相應的應力級下的疲勞壽命。本文選取的S-N曲線為指數形式表達式，超長壽命段的S-N曲線為一條直線。

指數形式的S-N曲線可表示為：

等號兩邊取對數后為：

其中材料參數為：A=lg C/m lg e，B=1/m lg e。S-N曲線圖中，當壽命取對數而應力不取對數表示時，S與N間有線性關系，通常稱為半對數線性關系。

依據國內某些作者對動車組車輪疲勞強度分析得到的S-N曲線進行疲勞壽命的估計。選取的動車組車輪的S-N曲線［8］經過變換可表示為：

選取的超長壽命段的S-N曲線可表示為：

據此，經過分析計算可得到直道、彎道和道岔工況中輪輞危險部位各級最大應力下的疲勞壽命，如表5所示。

表5　直道、彎道和道岔工況中各級應力下輪輞危險部位的疲勞壽命

3.2三種工況的疲勞壽命估計

本文選用最具代表性的Palmgren-Miner理論進行疲勞壽命的估計。首先作如下假設：

a）每一級應力對結構的損傷是其循環次數線性累加的結果；

b）每一級應力造成的疲勞損傷都是相互獨立的，不存在相關性，當累積的損傷量達到最大值時就會產生疲勞破壞。

當載荷為變幅載荷時Miner定律的公式［9］可表示為：

其中：D為一個載荷譜的累積總損傷（當D達到1時可認為產生疲勞破壞），l為應力譜級數，Ni為對應于第i級應力的形成破壞的循環次數，ni為第i級應力發生的循環次數，B為載荷譜塊數。

結合表5中計算得到的直道、彎道和道岔三種工況中各級載荷作用下的疲勞壽命，通過 Miner公式可以求得直道、彎道和道岔工況的一個載荷譜總損傷D和載荷譜塊數B，如表6所示。

表6　直道、彎道和道岔工況的一個載荷譜總損傷D和載荷譜塊數B

因本文所取的一個載荷譜為一年當中列車運行的載荷譜，所以載荷譜塊數即對應了列車運行的年限。按列車每年運行3×105km，則列車運行年限與3×105km的乘積即為列車總共可運行的公里數。由此可得：

直道工況列車的疲勞壽命約為6.92年，相當于運行2.076×106km；

彎道工況列車的疲勞壽命約為6.11年，相當于運行1.833×106km；

道岔工況列車的疲勞壽命約為3.97年，相當于運行1.191×106km。

我國《鐵路動車組運用維修規程》里對于CRH5型動車組檢修周期建議，一級檢修運行里程4000 km或48 h、二級檢修運行里程6×104km、三級檢修運行里程1.2×106km、四級檢修運行里程2.4× 106km、五級檢修運行里程4.8×106km。本文的計算結果顯示動車組車輪輪輞的運行壽命在高級檢修期（三、四、五級檢修周期）中，因此可以反映此檢修周期是相對合理的，但是三級檢修周期距離壽命估計的結果較遠，而且各高級檢修周期的間隔時間過長。根據本文的計算結果，并考慮到列車的運行環境較為惡劣，影響車輪使用壽命的因素也非常復雜，因此建議將三級檢修里程在保證安全的情況下延長至1.5×106km，另外，可適當減小高級檢修周期的間隔時間，比如以一個二級檢修周期（6×104km）為間隔，以保障列車運行的安全性和可靠性。

4　結 論

CRH5型高速動車組車輪在運行的過程中，直道工況和彎道工況對列車輪輞壽命的影響較小，疲勞壽命相對較接近車輪的設計壽命，而道岔工況對列車輪輞的運行壽命影響相對嚴重。雖然道岔工況在列車總的運行過程中所占的比重較小，但仍需對道岔結構設計做進一步改進，以提高列車車輪整體的使用壽命。依據計算結果建議在保證安全的情況下將三級檢修周期延長至1.5×106km，并適當減小高級檢修周期的時間間隔。

本文的分析結果可為確定車輪的安全檢修周期提供一定的理論依據，同時為進一步分析車輪輪輞疲勞裂紋的影響因素和形成機理提供技術方法支持。

［1］涂富田，張 弘.車輪輪輞疲勞裂紋及掉塊分析研究［J］.鐵道技術監督，2006，34（4）：6-8.

［2］李樹林，石啟龍，楊建偉，等.CRH3型動車組車輪的疲勞壽命分析［J］.機械設計與制造，2011（12）：228-230.

［3］Liu Y，Stratman B，Mahadevan S.Fatigue crack initiation life prediction of railroad wheels［J］. International Journal of Fatigue，2006，28（7）：747-756.

［4］梁紅琴，趙永翔，楊 冰，等.高速動車組拖車車輪疲勞強度的分析評定［J］.機車電傳動，2013（2）：18-20.

［5］Seo J W，Kwon SJ，Jun H K，et al.Effects of residual stress and shape of web plate on the fatigue life of railway wheels［J］.Engineering Failure Analysis，2009，16（7）：2493-2507.

［6］劉 旭，張開林，姚 遠，等.兩種評定準則下的車輪疲勞強度分析［J］.機車電傳動，2012（4）：23-25.

［7］叢 韜，付秀琴，張 斌，等.簡析高速重載工況對車輪輪輞疲勞裂紋萌生的影響［J］.鐵道機車車輛，2014，34（5）：24-27.

［8］盧 昊.高速列車車輪的疲勞可靠性靈敏度分析及可靠性穩健設計［D］.沈陽：東北大學，2009：30-36.

［9］姚衛星.結構疲勞壽命分析［M］.北京：國防工業出版社，2003：75-80.

Fatigue Life Analysis for Wheel Rim of CRH5 Motor Train Unit

ZHANG Ting-xiu，CHEN Huan-guo，CAI Li，ZHANGWen，CHEN Pei
（School of Mechanical Engineering and Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018）

This paper adopts fatigue life analysis based on finite element method to analyze fatigue life of wheel rim of motor train unit as per domestic and international wheel standards.The load cases of the wheel are determined as per UIC510-5 and BS EN13979 standards，and then the load spectrum in different load cases is established.Stress state of wheels of motor train unit under different working conditions is analyzed with the help of finite element software，and the stress spectrum of the wheel rim is obtained. The fatigue life of wheel rim in different load cases is estimated by combining S-N curve of wheel rim material and Miner’s rule.The results show that the fatigue life of wheel rim is most affected by working conditions of turnout junction，and the influence of straight road and winding road is small.The analysis result provides theoretical basis for security maintenance of motor train unit and also is valuable in practical safe operation of the train.

motor train unit；wheel rim；load spectrum；finite element；fatigue life

U270.12

A

1673-3851（2015）06-0824-05

（責任編輯：康 鋒）

2014-11-06

國家自然科學基金-高鐵聯合基金項目（U1234207）；國家自然科學基金項目（51475432）；浙江省省級國際科技合作專項計劃項目（2013C24005）；浙江省自然科學基金項目（LZ13E050003）

張廷秀（1988-），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事機械零部件可靠性方面的研究。

陳換過，E-mail：chen8025@126.com