CRH2拖车轮轴集成有限元及服役应力分析

陈浩森 马东文 赵斐

摘  要：为研究CRH2拖车轮轴服役应力，建立CRH2拖车轮轴集成有限元模型，进行典型服役线路谱载荷轮轴结构服役应力模拟计算。结果表明：集成有限元方法可以实现准确有效模拟轮轴关键部位服役应力状态;研究得到不同轮轨接触位置踏面屈服条件及屈服区域状态;分别在9组典型线路普载荷下踏面不同深度剪应力分布，极限偏载工况下服役应力会相对增大，且踏面以下2-3mm处存在224.84-289MPa剪应力极值。

关键词：CRH2动车组;拖车轮轴;集成有限元;应力分布

中图分类号：U211.5        文献标志码：A         文章编号：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

轮轨接触是车辆结构失效的关键部位，服役过程中会因负载的随机轮轨力作用与演变，导致车轮踏面磨耗、材料塑性变形、车轮出现不圆及多边形、碾堆及碾边、剥离等问题[1]，轮轴发生疲劳断裂将可能引起列车脱轨甚至酿成重大安全事故，对CRH2动车组拖车轮轴进行服役应力计算分析具有重要的意义。

赵永翔等[2-3]在我国27/30t轴重货车车轴、车轮、轴承的设计评价中，探索出采用货车轮对集成有限元方法，该方法在我国国产化大功率机车车轮开发中，被拓展应用于及车轮对[4-5]的设计机械强度及疲劳强度评价。

李俊琛等[6]为研究CRH5型动车组轮轨接触在服役过程中接触应力大小分布及循环应力作用而产生的疲劳损伤问题，利用有限元分析法对其运行过程进行仿真计算，分析了轮轨接触部位轴重载荷对等效应力大小影响及车轮所受等效应力峰值距踏面深。萧天佑[7]根据列车可能的疲劳服役工况，基于轮对集成有限元计算结果，通过分析Mises应力、主应力-剪应力和轴向-径向-周向应力云图，研究了CRH5拖车轮轴的疲劳应力分布。

轮轨滚动接触关系是轨道车辆系统中最基本和复杂的问题，尚未建立整个集成轮轴在实际服役载荷条件下关键部位有限元计算和应力分布研究，本文探索建立CRH2拖车轮轴集成有限元及应力分布，对于该型动车组在日后运营、检修和安全性评估方面具有重要的意义。

1 CRH2拖车轮对集成有限元模型

采用集成有限元方法建立轮轴有限元模型，轴箱-轴承-车轴-车轮-制动盘-鋼轨构成轮轴有限元整体计算模型。考虑车轮-车轴、轴承内圈-车轴、制动盘-车轴过盈配合为Ⅰ型关系，轮-轨接触为Ⅱ型关系。选择ANSYS作为有限元计算工具，实体网格选择SOLID45，接触模型选择CONTACT174-CONTACT170接触体-接触目标单元。

网格大小显著影响接触部位应力计算结果，细化到一定程度，才能获得稳定值，对配合部位采用了细化策略：车轮-车轴配合面0.5mm-4mm，轴承内圈-车轴配合面0.5mm-4mm，制动盘-车轴配合面0.5mm-4mm，轮-轨接触区域，最小单元尺寸0.5mm，配合部位接触边缘往里最小单元尺寸为1mm，并逐渐变到中部单元尺寸为4.5mm;如图1所示共形成900768个节点，1233099个单元的CRH2拖车轮轴集成有限元网格模型。

同时，Ⅰ型过盈配合按照生产实际量：车轮-车轴过盈配合量取0.27mm，轴承内圈-车轴过盈配合量取0.06mm，制动盘-车轴过盈配合量取0.25mm。

2 载荷及约束

2.1 典型的线路随机谱载荷

CRH2拖车轮轴服役过程中，把握车轮磨耗轮径减小的平均动载荷系数演变规律以及车轮服役损伤演变的平均动载荷系数演变规律，构建出了轮径演变与踏面损伤演变的服役载荷谱。确定简化载荷谱计算组合如表1所示，其中P为作用在左右两轴箱上横向载荷P1V、P2V以及垂向载荷PH，L_c为左侧车轮轮轨作用点与车轮轮缘内侧的水平距离。

2.2 约束条件

近似约束钢轨底部的xyz三个方向移动和转动，并在兩端面施加对称约束;轴箱力按轮轴实际受力部位作用于两端轴箱，确定轮轨接触点位置（见表1），以左轮为标准接触位置，则右轮轨接触位置根据轮距确定。

3 服役疲劳应力

3.1 车轮踏面接触斑屈服分析

依据有限元计算结果，确定车轮踏面接触斑最大及最小主应力，由第三强度理论，最大切应力τmax是引起屈服主要因素，塑性材料屈服时的应力是屈服极限σs。以大于1的因数除极限应力，大于1的因素ns称为安全系数，许用应力用[σ]来表示，对于塑性材料：安全系数ns为1.73，即许用应力[σ]=311.58MPa。如表2分别在5个典型轮轨接触点车轮踏面接触斑发山屈服的形貌参数，屈服区域面积达到极值111.553mm2，车轮踏面接触斑表面剪应力最大值为270MPa。

3.2 车轮踏面应力分布

图2为踏面横向、纵向位置截面剪应力图，同时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）位置的应力值，表3给出了9组载荷下踏面不同深度剪应力值，在轮轨接触部位深度达2-3mm处出现疲劳剪应力极值;这种剪应力幅的作用位置，随轮轨接触点位置而移动。

4 结论

（1）建立轮轴集成有限元模型，考虑轮对中物理的轮轨接触关系和轮轴等过盈配合关系，实现精确的服役应力计算，利用材料力学的基本原理分析了接触斑屈服情况。

（2）踏面深度2-3mm处是剪应力极值的位置考察点，这种剪应力幅的作用位置，随轮轨接触点位置而移动;如果与材料夹杂缺陷结合，很可能是网裂的根本原因。

参考文献：

[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]赵永翔，张斌，刁克军，等.大轴重货车技术研究一轮轴系统疲劳安全评估方法与标准研究[R].

[3]堵彬斌.27t轴重货车轮轴设计可靠性分析[D].成都：西南交通大学，2013.

[4]赵永翔，蔡慧，敬霖.HXD2机车动力轮对的集成有限元模型[J].机械工程学报，2014，50（14）：21，26.

[5]赵永翔，蔡慧，堵彬斌，等.大功率机车设计制造可靠性的分析与评价[R].成都：西南交通大学，2013.

[6]李俊琛，杨大巍，董雪娇，等.CRH5型动车组轮轨滚动接触应力及疲劳寿命的有限元仿真分析[J].兰州理工大学学报，2017，43（6）：16-21.

[7]萧天佶.CRH5动车组非动力轮轴的疲劳应力分布[D].西南交通大学，2015.