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高速、重載是鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，同時隨著城市化的不斷發(fā)展，地鐵、輕軌等各種交通工具也相繼繁榮起來。列車速度的提高、軸重的增大，不僅加大了輪軌間的動作用力，同時，制動時踏面所承受的熱負(fù)荷也隨之增大，作為機(jī)車車輛重要承載部件的車輪所承受的負(fù)荷越來越惡劣，因此在現(xiàn)代鐵道車輛設(shè)計中，車輪的安全性、可靠性設(shè)計就顯得極為重要。隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，用有限元方法分析鐵道機(jī)車車輛零部件的強(qiáng)度變得日益廣泛。
ANSYS軟件是工業(yè)界運(yùn)用最為廣泛的大型有限元軟件，具有熱、機(jī)械、電磁場等多種分析功能。我們利用其強(qiáng)大的計算功能進(jìn)行了大量有實(shí)際意義的設(shè)計工作，尤其在鐵路車輛輪軸方面，結(jié)合近年來鐵路的發(fā)展，開發(fā)了一系列新型產(chǎn)品，滿足了不同的運(yùn)用要求。本文以某21t軸重動車車輪為例說明應(yīng)用ANSYS軟件有限元分析車輛車輪強(qiáng)度的方法。
目前關(guān)于車輪強(qiáng)度的分析和評定，只有美國AAR標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)車和貨車車輪設(shè)計分析評定辦法》(以下簡稱：美國規(guī)范)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了計算載荷、計算工況，采用了比較的評定辦法，但這一規(guī)范比較粗糙;另外在歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了車輪的設(shè)計和分析方法，但只限于外部機(jī)械載荷，有些片面，除此而外，并無完整的關(guān)于車輪的分析評定方法，我們根據(jù)多年來從事輪軸設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合車輪實(shí)際受力狀態(tài)，較全面的分析了車輪的各種受力情況。美國規(guī)范采用對比法，對新輪和磨耗到限車輪分別計算，同時和在用的比較好的車輪進(jìn)行應(yīng)力比較。本文考慮到磨耗到限車輪比新制車輪受力狀態(tài)惡劣，因此選用磨耗到限車輪作為計算對象。
車輪在運(yùn)行過程中承受多種復(fù)雜的載荷。軌道對車輪徑向和橫向作用力、制動過程中閘瓦對車輪的摩擦熱負(fù)荷、輪對壓裝過盈配合、高速時旋轉(zhuǎn)引起的離心力等均對車輪的應(yīng)力分布有著很大的影響。由于輪軸配合屬于過盈配合，存在于各種工況，而且，不同的壓裝過盈量對車輪的應(yīng)力影響較大，同時對輪軸的壓裝配合緊固度也有很大的影響，因此計算分別考慮了在最小和最大過盈量下車輪各種工況下的強(qiáng)度。(1)計算模型考慮比較惡劣的工況，計算不計制動時閘瓦所吸收的熱量，假設(shè)熱量全部被車輪吸收，且在整個車輪踏面圓周上均勻的輸人，亦即熱負(fù)荷是軸對稱的，該問題屬于軸對稱問題，但為了在應(yīng)力計算中采用同一模型，以便利用溫度場計算的結(jié)果，因此根據(jù)車輪結(jié)構(gòu)及載荷的對稱性，建立1/2車輪模型進(jìn)行計算，計算模型如圖。
溫度場計算溫度場計算的載荷是由于對車輪施行恒速制動或單元類型為SOLID。熱分析體單元，材料特性參數(shù)如表，溫度場計算結(jié)果如圖。強(qiáng)度計算強(qiáng)度計算單元類型是SDLID45結(jié)構(gòu)分析體單元。計算熱應(yīng)力所需的溫度場分布可直接從前面的熱計算結(jié)果中讀取。模型在對稱面節(jié)點(diǎn)上施加對稱約束，軸端施加固定位移約束。材料彈性模量為0.21Pa，泊松比為0.3，根據(jù)實(shí)際情況，將對車輪從靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及輪軸緊固度三個方面進(jìn)行評定。W靜強(qiáng)度分析及評定為使車輪滿足運(yùn)用強(qiáng)度要求，車輪各關(guān)鍵位置點(diǎn)的最大Vonmises應(yīng)力應(yīng)小于車輪材料的屈服極限。Vonmises應(yīng)力的計算公式為計算結(jié)果是車輪在各工況下關(guān)鍵部位的應(yīng)力均低于車輪的屈服極限，認(rèn)為車輪的靜強(qiáng)度能夠滿足要求。圖中只給出了直線制動和曲線制動工況下等效應(yīng)力分布情況。
疲勞強(qiáng)度評定由于車輪的轉(zhuǎn)動，其上各點(diǎn)的應(yīng)力呈三向交變的應(yīng)力狀態(tài)，本文采用等效應(yīng)力幅及等效平均應(yīng)力對車輪上各點(diǎn)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。疲勞強(qiáng)度滿足要求的條件是車輪上各點(diǎn)(奇異點(diǎn)除外)的疲勞安全系數(shù)應(yīng)大于等于1，根據(jù)上述公式及參數(shù)計算，計算表明各上況下各點(diǎn)的疲勞安全系數(shù)均大于1，因此車輪在計算工況下各點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度滿足應(yīng)用要求。輪軸緊固度評定車輪運(yùn)行過程中，為保證車輪和車軸不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動或脫離，計算表明在外載荷作用下，配合面上接觸壓應(yīng)力呈不均勻分布，且分布規(guī)律和大小隨外載荷及過盈量的不同而變化；制動熱負(fù)荷作用下，接觸壓應(yīng)力明顯降低，影響輪軸配合品質(zhì)；上述各工況下，計算的接觸壓應(yīng)力均高于要求的最低值，說明在選定的過盈量下，輪軸具有足夠的緊固度。
(1)根據(jù)以上的分析認(rèn)為，所設(shè)計車輪的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度滿足運(yùn)用要求，輪軸緊固度足夠。(2)用有限元方法對車輪強(qiáng)度進(jìn)行全面分析，對加快輪軸產(chǎn)品設(shè)計過程，提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性，有著重要的意義。(3)車輪設(shè)計和分析的方法應(yīng)能夠更加合理的反映車輪的實(shí)際受力狀況。本文以多年來實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，提出的分析方法，不失為一種有效的方法。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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