铁路机车车轮辐板疲劳分析

肖 峰，张澎湃，刘 智，桂兴亮

(1.马鞍山钢铁股份有限公司车轮公司，安徽马鞍山243000；2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

铁路机车车轮辐板疲劳分析

肖 峰1，张澎湃2，刘 智1，桂兴亮1

(1.马鞍山钢铁股份有限公司车轮公司，安徽马鞍山243000；2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

针对机车车轮源于锈蚀坑的辐板疲劳断裂，参照AAR S-669标准，按照Sines准则，并考虑热载荷、抛丸残余应力和表面缺陷的影响，使用有限元软件ANSYS进行疲劳分析。结果表明：车轮的结构设计符合AAR S-669的要求；若车轮无表面缺陷，即使车轮未经抛丸处理且承受大的热载荷，也不可能发生疲劳；若车轮有表面缺陷且承受大的热载荷，随着应力集中系数的提高，将可能发生疲劳。

车轮；辐板；失效；疲劳；有限元

车轮是铁路车辆行走的关键部件，运行中受到轮轨间相互作用，踏面制动车轮还会承受制动热载荷。在机械和热载荷下，车轮辐板的某些部位可能产生较高的应力，因此在车轮设计时，需要评价车轮辐板的静强度和疲劳强度。车轮辐板静强度和疲劳强度的评价可采用有限元分析方法，即针对特定形状和尺寸的车轮，在给定材料性能、边界约束和载荷工况等条件下，按照某一有限元分析模型计算各种载荷工况下车轮辐板的应力分布和大小，然后按照特定准则评定车轮是否发生屈服和疲劳失效。一些国家和地区制定了相应标准，如欧洲标准EN13979-1[1]、国际铁路联盟标准UIC 510-5[2]、北美铁道协会标准AAR S-660[3]和AAR S-669[4]等。但现行标准在疲劳分析评价时均未考虑踏面制动热载荷、车轮辐板抛丸残余应力和表面缺陷的影响。为此，文中针对一件采取踏面制动、辐板经过抛丸处理并存在锈蚀坑、在美国运行时发生辐板疲劳断裂的车轮，参照AAR S-669标准，考虑热载荷、抛丸残余应力和表面缺陷的影响，使用有限元软件ANSYS进行疲劳分析。

1 失效车轮基本情况

一件按AAR标准生产，规格为D42(新轮直径为1 067 mm)，轮辋磨耗接近报废的的机车车轮发生辐板断裂。失效模式为：车轮运行过程中，辐板内侧面靠近轮辋圆弧处(具体位置见图1)的锈蚀坑在交变应力作用下，萌生周向裂纹并逐步扩展，直到最后发生快速断裂，断口形貌见图2。

实验结果显示，失效车轮断口组织和非金属夹杂物正常。轮辋取样检验，化学成分、显微纯净度和硬度均符合产品标准AAR M-107/M-208的要求。辐板取样检验，抗拉强度和显微硬度正常。但失效车轮存在辐板抛丸覆盖不充分现象。

2 有限元计算方法及参数设置

2.1 有限元模型的建立

将车轮CAD二维图导入ANSYS软件中。用Plane77单元进行二维热应力分析，用Plane83单元进行二维机械应力分析。Plane77是二维8节点热实体单元，是二维4节点热单元Plane55的高阶版本，每个节点只有1个自由度—温度[5]。8节点单元具有一致的温度形函数，可较好地适应具有曲线边界的模型[2]，故Plane77单元适用于车轮的二维热分析。Plane83单元用于承受非轴对称载荷的二维轴对称结构的建模，此单元是二维4节点单元Plane25的高阶版本，有8个节点，每个节点有3个自由度，可以适应不规则形状而较少损失精度，故Plane83单元适用于车轮的二维机械应力分析。

新车轮及磨耗到限车轮对应的有限元模型分别见图3，4。新车轮共划分单元1 268个，节点4 086个，磨耗到限车轮划分单元1 009个，节点3 299个。

计算所用材料物理属性包括对流系数、比热、导热系数、弹性模量、泊松比、热膨胀系数等，在AAR S-669标准中均有规定。

2.2 Sines准则

通过计算车轮某一位置的Sines参数(SP)来评价其疲劳性能。静态或残余应力与交变应力叠加作用下的Sines参数为

当SP＜0时，表示分析位置疲劳强度满足Sines准则，即不产生疲劳裂纹；当SP＞0时，表示分析位置疲劳强度不满足Sines准则，易于产生疲劳裂纹。

2.3 载荷

在AAR S-660标准中，对于直径≥1 016 mm机车车轮，规定的载荷：垂向载荷(V1，V2)和横向载荷(L1)分别为317 520，158 760 N，踏面输入的热载荷(Th)为27.59 kW，作用时间为1 200 s，载荷加载位置见图5。

除按照AAR S-669标准规定计算新轮与磨耗车轮在V1+L1和V22种载荷工况下的应力外，文中增加计算新轮与磨耗车轮在V1+L1+Th及V2+Th2种载荷工况下的应力。

2.4 实际残余应力和锈蚀坑应力集中效应的考虑

实际使用的车轮热处理后还经历全表面机加工和辐板强化抛丸处理。车轮辐板残余应力并非仅是热处理残余应力，为使计算符合实际，在疲劳源处取样测试残余应力，以测试的残余应力值代替式(1)中热处理残余应力。采用Proto-iXRD型X射线应力分析仪测试残余应力，检测过程执行ASTM E915—2010， EN 15305—2008及GB 7704—2008标准。对于失效车轮，测得P点锈蚀坑底部残余应力为+70 MPa（正号代表拉应力）；对于新车轮，测得P点表面残余应力为-300 MPa（负号代表压应力）。

在零件尺寸突然改变处的横截面上，应力不是均匀分布。在圆孔或切口附近的局部区域内，应力剧烈增加，但在离开圆孔或切口稍远处，应力会迅速降低而趋于均匀，此现象为应力集中[6-7]。理论应力集中系数可用有限元方法计算，且计算结果准确度高[8-9]。失效车轮辐板锈蚀坑，深约0.5 mm，长轴1 mm，短轴0.5 mm，其形貌介于圆孔或切口之间。陈定海等[10]使用有限元软件ANSYS对类似形貌的半椭球锈蚀坑应力集中系数进行分析，得出其应力集中系数约2.06。由于真实锈蚀坑形貌复杂，一些锈蚀坑的实际应力集中系数可能更高[11]，故文中取应力集中系数2.0，2.5，3.0，将其分别写入后处理程序中进行计算，分析锈蚀坑对车轮疲劳性能的影响。

3 结果及分析

按AAR S-669标准计算V1+L1，V2，V1+L1+ Th，V2+Th等4种载荷工况下的SP，所得辐板各处SP值均为负值，其中P点SP见表1。

由表1可见，P点SP值为负数，且其绝对值远大于零。说明表面不抛丸、无锈蚀坑车轮的P点，即使在车轮磨耗到限且有热载荷作用的条件下，疲劳强度依然满足使用要求。对于辐板表面抛丸、无锈蚀坑车轮，采用实际测得表面残余应力代替有限元计算得到的热处理残余应力，计算结果见表2。

表1 按AAR S--669标准计算得到P点SPTab.1 SPvalue of P position calculated according to AAR S--669 standard

对于辐板表面抛丸、有锈蚀坑车轮，采用实际测得的P点锈蚀坑深度处的残余应力代替有限元计算得到的热处理残余应力，并将其他应力项乘以应力集中系数，计算结果见表3。

表2 无锈蚀坑车轮、考虑实测残余应力的计算结果Tab.2 Results of wheels without corrosion pit and with measured residual stress

表3 有锈蚀坑车轮、考虑实测残余应力和应力集中系数的计算结果Tab.3 Results of wheels with corrosion pit,and with measured residual stress and stress concentration factors

由表1，2可知，抛丸产生的表面残余压应力使SP的绝对值增大，因此疲劳安全系数变大。由表2可知：对于只有机械载荷的工况C3和C4，即使在P点锈蚀坑的应力集中系数取较大值3.0，SP值均小于0，且绝对值远大于零。说明若无热载荷，无论新轮和磨耗轮，辐板表面锈蚀坑处都不会发生疲劳；对于机械载荷与热载荷组合的工况C5～C10，随着锈蚀坑应力集中系数逐渐增大，SP值逐步由负值变为正值。说明受热载荷的影响，加上锈蚀坑底部的残余应力变为拉应力和应力集中效应，车轮疲劳性能变得不安全；比较工况C5与C6，C7与C8，C9与C10发现，在相同机械载荷和热载荷组合及相同锈蚀坑应力集中系数条件下，磨耗轮的SP比新轮的大，说明磨耗轮比新轮更易发生疲劳。

4 结 论

1)根据AAR S-669标准对失效车轮进行疲劳分析，结果表明车轮结构设计符合AAR S-669标准的要求。

2)若车轮无表面缺陷，即使车轮未经抛丸处理且承受大的热载荷，也不可能发生疲劳；若车轮有表面缺陷且承受大的热载荷，随着应力集中系数的提高，将可能发生疲劳。

3)在相同机械载荷与热载荷组合、相同锈蚀坑应力集中系数的条件下，磨耗车轮比新车轮更易发生疲劳。

[1]CEN/TC 256.EN 13979-1:2003 Railway Applications-wheelsets and Bogies-monobloc Wheels-technical Approval Procedure-Part 1:Forged and rolled wheels[S].Brussels:European Committee for Standardization,2003:1-45.

[2]International Union of Railways.UIC 510-5-2007 technical approval of monobloc wheels[S]//Application Document for Standard EN 13979-1.Paris:Railway Technical Publications ETF,2007:1-40.

[3]AAR WABL Committee.AAR S-660:2009 Wheel Designd,Locomotive and Frright Car-analytic Evaluation Standard[S].Washington,DC:Association ofAmerican Railroads,2009:237-241.

[4]AAR WABL Committee.AAR S-669:2012 Analytic Evaluation of Locomotive Wheel Designs Standard[S].Washington DC:Association ofAmerican Railroads,2012:125-142.

[5]王金龙，王清明，王伟章.ANSYS 12.0有限元分析与范例解析[M].北京：机械工业出版社,2010:165.

[6]刘鸿文.材料力学[M].4版.北京：高等教育出版社，2004:344.

[7]Beer F P,Jr Johnston E R.Mechanical of Materials[M].Six Edition.USA,McGraw Hill,2012:115-116.

[8]朱晓东,覃启东.基于ANSYS平台含圆孔薄板的应力集中分析[J].苏州大学学报(工科版)，2004,24(5):51-53.

[9]Enab TA.Stress concentration analysis in functionally graded plates with elliptic holes under biaxial loadings[J].Ain Shams Engineering Journal,2014,5(3):1-12.

[10]陈定海，穆志韬，田述栋，等.腐蚀坑应力集中系数影响分析[J].新技术新工艺，2012(7):97-99.

[11]Dedmon S L.The relationship between design,processing and shot peening on wheel plate failures[C]//Proceedings of the 2014 Joint Rail Conference.Colorado,USA,2014:1-7.

责任编辑：何莉

FatigueAnalysis of Railway Locomotive Wheel’s Plate

XIAO Feng1,ZHANG Pengpai2,LIU Zhi1,GUI Xingliang1
(1.Wheel Company,Ma'anshan Iron&Steel Co.Ltd.,Ma'anshan 243000，China;2.Institute of Metal&hemistry, ChinaAcademy of Railway Sciences,Beijing 100081，China)

For the fatigue fracture of locomotive wheel resulting from a corrosion pit on the plate,the fatigue analysis was performed by applying the Sines criterion referring to AAR S-669 standard,as well as taking thermal loading and peening residual stress and surface defect into account.Results show that the structure design of this wheel satisfies the requirement of AAR S-669.If there is no defect on the surface,the fatigue cannot happen under great thermal load even though the plate is not peened;if there are defects on the surface,the fatigue is predicted under great thermal load as the stress concentration factor of the surface defect rises.

wheel;plate;failure;fatigue;finite element method

U270.33;TB122

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.04.005

2015-08-29

肖峰(1967-)，男，湖南怀化人，高级工程师，主要研究方向为铁路用辗钢车轮相关技术及质量管理。

1671-7872(2015)-04-0320-05