高速动车组轮轴疲劳强度探析

2016-12-15李旻昊

工程技术研究 2016年11期

关键词：车轴历程动车组

李旻昊

（智奇铁路设备有限公司，山西太原 030032）

高速动车组轮轴疲劳强度探析

李旻昊

（智奇铁路设备有限公司，山西太原 030032）

高速动车组目前正常运营最高时速已可达到350km/h，动车组的高速运行也对其各个部件的服役状态提出更高要求，其运行的安全性与稳定性也越来越受到人们的重视。文章所要探讨的是直接传递轮轨作用力的轮对部件，它们作为车辆运行中关键的走行部件，在动车组高速运行过程中经受随机荷载，其金属疲劳不断累积。文中分析随机载荷作用下高速动车组轮对的疲劳寿命预测方法及计算过程，希望为动车组科学维护修理、长期稳定运行提供理论参考。

动车组；轮对；疲劳强度；随机荷载；寿命

高速动车组具有较高的车辆运行速度，所以它的安全可靠性格外受人关注。从轮对的疲劳强度层面来看，它的疲劳破坏会随车辆运行时间的增加而不断累积，轮对承受的水平与垂直动荷载不断加剧，造成轮对疲劳失效状况，即轮轴损伤，这也是铁路机车车辆发生重大事故的根本导火索。为了能够真实反映轮对在运行过程中所承受的随机荷载作用以及疲劳影响，对其进行随机荷载疲劳寿命预测及计算是非常有必要的，它能够为高速动车组的轮轴疲劳寿命延续提供技术参考依据。

1 应力疲劳理论分析

由车辆系统高速运行所带来的疲劳是一种循环应力，而根据循环应力的大小，还可以将其划分为应力疲劳和应变疲劳。如果最大循环应力小于屈服应力，那么就会构成应力疲劳。应力疲劳的循环应力水平是较低的，而寿命循环次数则非常高（106次以上），所以说它也被称为高周疲劳。对应力疲劳的寿命计算主要通过S-N曲线来得出，S-N曲线所表示的就是外加应力水平与标准应力疲劳寿命之间的关系曲线函数。考虑到疲劳试验数据都存在一定的离散性，所以高速动车组的轮对疲劳寿命一定和应力水平相关，但二者之间的关系并非是一一对应的单值关系。以下用曲线函数来表示平均应力对轮对的具体影响，见图1。

图1 轮对平均应力曲S-N曲线函数图

图1所示为平均应力对轮对疲劳寿命的影响变化。当平均应力为负值时所体现的就是压应力，它能够提高轮对的疲劳寿命；而如果平均应力为正值时它应该为拉应力，此时轮对疲劳寿命就会相应降低。

2 寿命预测方法分析

目前对高速动车组车轴、车轮即轮对部分的疲劳寿命预测一般采用FE-Fatigue法。它的方法实施流程如下：首先在有限元分析软件中依据轮对的实际服役状况给出轮对应力结果文件，再根据轮对的单独载荷设置来明确载荷步，让结果文件中包含对载荷步的结果数据。此时通过动力学分析软件来为轮对疲劳寿命分析构建动力学模型，根据高速动车组的运行线路来确定对轮对疲劳寿命预测的计算工况，以计算输出结果来画出轮对载荷时间的历程曲线，再把应力结果文件导入到有限元分析软件当中，将其再次转化为损伤计算文件，并同时编辑材料S-N曲线，得出疲劳参数结果，了解轮对的损伤结果与寿命结果。为了进一步了解高速动车组车轮车轴的轮对载荷及疲劳强度，还要继续给出轮对的载荷时间历程曲线，对轮对的疲劳寿命进行进一步计算。

2.1 计算轮对载荷时间历程曲线

高速动车组的轮对载荷时间历程主要涉及轮对疲劳载荷谱，获得它主要有两种方法：①通过动车组实际线路测试，调查轮对轴颈上的横向与垂向载荷时间曲线；②根据动力学的仿真计算来获取。一般来说，目前采用第二种方法较多，因为它具有极高的经济适应性，也能够较为精确的反映出车轮车轴轮对在动车组高速运转过程中的实际受力状况。只需要对其受力状况进行分析，配合载荷谱简单处理就能直接投入使用。

根据某一高速动车组为例，为它建立动力学模型，并计算它所运行线路轨道的轨道谱作为基本激扰参考，在计算后输出轮轨轮对的横向载荷时间历程。动车组轮对曲线半径与限制速度之间的数据对照表格，见表1。

表1 某高速动车组轮对曲线半径与限制速度之间的数据对照表

以上真实反映了高速动车组轮对的实际受力情况，证明该动车组在曲线半径为4500m以下的线路必须限速行驶，它的具体限速计算公式为：

2.2 计算轮对疲劳寿命

在对载荷时间历程计算之后，就要计算将载荷部步结果文件导入到有限元分析软件中，实现对每一个载荷时间历程的对应设计，最后构建轮对应力疲劳分析模型。计算轮对的疲劳寿命及损伤结果。一般来说，在轮对疲劳寿命计算中所选取的载荷谱时间要根据载荷时间历程来定，并由载荷谱时间长度来折合计算动车组实际运行的里程数。通常情况下车轴寿命都会大于车轮寿命，而且绝大部分（超过99.9%）的车轮寿命都应该在1000万公里以上。在这里，要运用到轮对疲劳寿命与过盈量曲线的关系比，所谓过盈量就是指车轮车轴与轨道结合的紧密程度，它的决定因素包括了动车组运行的实际速度，以及轮对与轨道之间的各种随机应力负荷关系。因此，基于对轮对疲劳寿命的计算分析可以简单总结以下4点内容。

（1）过盈量增加，动车组的车轴疲劳寿命就会下降，这种关系在动车组高速运行时体现的非常明显，且会随着运行里程的增加而越来越明显。从细节来看，动车组的轮座位置过渡圆弧处是受损害最大的位置。

（2）过盈量的增加对车轮的疲劳寿命影响不大，其损伤的位置基本出现于辐板与轮毂的过渡圆弧位置，当该圆弧处半径越大时，过盈量增加越快，对轮对的疲劳寿命影响也就越明显。

（3）动车组在高速运行时其车轴损伤最明显的位置当属轮座位置，这是因为动车车轴轮座位置多位于车轴的凹槽处，一般列车在设计上要求轮座位置直径比应该大于1.12，如果小于这一数值就会在动车组高速运行过程中集中大量应力，导致其出现较大损伤。所以说在对列车轮对校核过程中必须首先关注轮座位置。在设计车轮轮座时尽量不要采用小半径圆弧，以避免应力过度集中现象的发生。

（4）在对轮对实施静强度分析过程中，可以得到车轴应力的最大位置，它主要位于车轴的中空孔内表面，它的产生来源于过盈配合。在疲劳强度计算中，要注意轮对疲劳损伤的主要形成原因，明确是应力幅值导致了它损伤程度的变化。应力幅值越小，轮对的疲劳强度越小，疲劳损伤也就越小，车轮车轴的使用寿命也就越长。