CRH2拖車輪軸集成有限元及服役應力分析

陳浩森 馬東文 趙斐

摘? 要：為研究CRH2拖車輪軸服役應力，建立CRH2拖車輪軸集成有限元模型，進行典型服役線路譜載荷輪軸結構服役應力模擬計算。結果表明：集成有限元方法可以實現準確有效模擬輪軸關鍵部位服役應力狀態;研究得到不同輪軌接觸位置踏面屈服條件及屈服區域狀態;分別在9組典型線路普載荷下踏面不同深度剪應力分布，極限偏載工況下服役應力會相對增大，且踏面以下2-3mm處存在224.84-289MPa剪應力極值。

關鍵詞：CRH2動車組;拖車輪軸;集成有限元;應力分布

中圖分類號：U211.5? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0069-03

Abstract： In order to study the service stress of CRH2 non-power wheelsets， the integrated finite element model? was established to simulate the service stress of the typical service line spectrum load. The results show that the integrated finite element method can accurately simulate the service stress of the key parts of the wheelsets; the yield conditions and yield region states of the tread at different wheel rail contact positions are obtained; the shear stress distribution of the tread at different depths under the common load of 9 groups of typical lines respectively increases under the extreme eccentric load condition， and 224.84-289mpa exists at 2-3mm below the tread Extreme shear stress.

Keywords： CRH2 EMU; non-power wheelsets; integrated finite element; stress distribution

輪軌接觸是車輛結構失效的關鍵部位，服役過程中會因負載的隨機輪軌力作用與演變，導致車輪踏面磨耗、材料塑性變形、車輪出現不圓及多邊形、碾堆及碾邊、剝離等問題[1]，輪軸發生疲勞斷裂將可能引起列車脫軌甚至釀成重大安全事故，對CRH2動車組拖車輪軸進行服役應力計算分析具有重要的意義。

趙永翔等[2-3]在我國27/30t軸重貨車車軸、車輪、軸承的設計評價中，探索出采用貨車輪對集成有限元方法，該方法在我國國產化大功率機車車輪開發中，被拓展應用于及車輪對[4-5]的設計機械強度及疲勞強度評價。

李俊琛等[6]為研究CRH5型動車組輪軌接觸在服役過程中接觸應力大小分布及循環應力作用而產生的疲勞損傷問題，利用有限元分析法對其運行過程進行仿真計算，分析了輪軌接觸部位軸重載荷對等效應力大小影響及車輪所受等效應力峰值距踏面深。蕭天佑[7]根據列車可能的疲勞服役工況，基于輪對集成有限元計算結果，通過分析Mises應力、主應力-剪應力和軸向-徑向-周向應力云圖，研究了CRH5拖車輪軸的疲勞應力分布。

輪軌滾動接觸關系是軌道車輛系統中最基本和復雜的問題，尚未建立整個集成輪軸在實際服役載荷條件下關鍵部位有限元計算和應力分布研究，本文探索建立CRH2拖車輪軸集成有限元及應力分布，對于該型動車組在日后運營、檢修和安全性評估方面具有重要的意義。

1 CRH2拖車輪對集成有限元模型

采用集成有限元方法建立輪軸有限元模型，軸箱-軸承-車軸-車輪-制動盤-鋼軌構成輪軸有限元整體計算模型。考慮車輪-車軸、軸承內圈-車軸、制動盤-車軸過盈配合為Ⅰ型關系，輪-軌接觸為Ⅱ型關系。選擇ANSYS作為有限元計算工具，實體網格選擇SOLID45，接觸模型選擇CONTACT174-CONTACT170接觸體-接觸目標單元。

網格大小顯著影響接觸部位應力計算結果，細化到一定程度，才能獲得穩定值，對配合部位采用了細化策略：車輪-車軸配合面0.5mm-4mm，軸承內圈-車軸配合面0.5mm-4mm，制動盤-車軸配合面0.5mm-4mm，輪-軌接觸區域，最小單元尺寸0.5mm，配合部位接觸邊緣往里最小單元尺寸為1mm，并逐漸變到中部單元尺寸為4.5mm;如圖1所示共形成900768個節點，1233099個單元的CRH2拖車輪軸集成有限元網格模型。

同時，Ⅰ型過盈配合按照生產實際量：車輪-車軸過盈配合量取0.27mm，軸承內圈-車軸過盈配合量取0.06mm，制動盤-車軸過盈配合量取0.25mm。

2 載荷及約束

2.1 典型的線路隨機譜載荷

CRH2拖車輪軸服役過程中，把握車輪磨耗輪徑減小的平均動載荷系數演變規律以及車輪服役損傷演變的平均動載荷系數演變規律，構建出了輪徑演變與踏面損傷演變的服役載荷譜。確定簡化載荷譜計算組合如表1所示，其中P為作用在左右兩軸箱上橫向載荷P1V、P2V以及垂向載荷PH，L_c為左側車輪輪軌作用點與車輪輪緣內側的水平距離。

2.2 約束條件

近似約束鋼軌底部的xyz三個方向移動和轉動，并在兩端面施加對稱約束;軸箱力按輪軸實際受力部位作用于兩端軸箱，確定輪軌接觸點位置（見表1），以左輪為標準接觸位置，則右輪軌接觸位置根據輪距確定。

3 服役疲勞應力

3.1 車輪踏面接觸斑屈服分析

依據有限元計算結果，確定車輪踏面接觸斑最大及最小主應力，由第三強度理論，最大切應力τmax是引起屈服主要因素，塑性材料屈服時的應力是屈服極限σs。以大于1的因數除極限應力，大于1的因素ns稱為安全系數，許用應力用[σ]來表示，對于塑性材料：安全系數ns為1.73，即許用應力[σ]=311.58MPa。如表2分別在5個典型輪軌接觸點車輪踏面接觸斑發山屈服的形貌參數，屈服區域面積達到極值111.553mm2，車輪踏面接觸斑表面剪應力最大值為270MPa。

3.2 車輪踏面應力分布

圖2為踏面橫向、縱向位置截面剪應力圖，同時提取踏面不同深度考察部位在最下方（下位）以及最上方（上位）位置的應力值，表3給出了9組載荷下踏面不同深度剪應力值，在輪軌接觸部位深度達2-3mm處出現疲勞剪應力極值;這種剪應力幅的作用位置，隨輪軌接觸點位置而移動。

4 結論

（1）建立輪軸集成有限元模型，考慮輪對中物理的輪軌接觸關系和輪軸等過盈配合關系，實現精確的服役應力計算，利用材料力學的基本原理分析了接觸斑屈服情況。

（2）踏面深度2-3mm處是剪應力極值的位置考察點，這種剪應力幅的作用位置，隨輪軌接觸點位置而移動;如果與材料夾雜缺陷結合，很可能是網裂的根本原因。

參考文獻：

[1]Kwon S J， Lee D H， Kwon S T， et al. Failure Analysis of Railway Wheel Tread[J]. Key Engineering Materials， 2006，321-323：649-653.

[2]趙永翔，張斌，刁克軍，等.大軸重貨車技術研究一輪軸系統疲勞安全評估方法與標準研究[R].

[3]堵彬斌.27t軸重貨車輪軸設計可靠性分析[D].成都：西南交通大學，2013.

[4]趙永翔，蔡慧，敬霖.HXD2機車動力輪對的集成有限元模型[J].機械工程學報，2014，50（14）：21，26.

[5]趙永翔，蔡慧，堵彬斌，等.大功率機車設計制造可靠性的分析與評價[R].成都：西南交通大學，2013.

[6]李俊琛，楊大巍，董雪嬌，等.CRH5型動車組輪軌滾動接觸應力及疲勞壽命的有限元仿真分析[J].蘭州理工大學學報，2017，43（6）：16-21.

[7]蕭天佶.CRH5動車組非動力輪軸的疲勞應力分布[D].西南交通大學，2015.