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标准与技术

轮盘和螺栓预紧力对车轮疲劳强度的影响

发布时间:2018-11-01   来源:现代制造工程   作者:徐传来,米彩盈  

  0 引言

  车轮是铁道机车车辆承载部件中工作条件最恶劣的部件之一,车轮疲劳失效会带来灾难性的后果,因此,对其疲劳强度的评定非常重要。根据UIC510-

  5[1]标准,对于轴对称车轮,使用单轴疲劳准则进行评定; 对于辐板有孔的非轴对称车轮,建议使用多轴疲劳准则( 如Crossland 和Dang Van 多轴疲劳准则) 对辐板孔区域进行评定。目前,国内外很多学者对车轮的疲劳强度评定方法进行了探讨。文献[2]使用单轴疲劳准则和Dang Van 多轴高周疲劳准则对某动车车轮进行了分析,比较了车轮关键点在两种评定准则下的安全系数。文献[3]使用Crossland 准则对辐板孔进行了评定。文献[4]使用Sines 准则和von_Mises 准则对车轮进行了计算。本文分析的车轮采用轮盘制动,制动盘的安装对车轮辐板区域、辐板与轮毂过渡区域,以及辐板与轮辋过渡区域的应力状态产生影响,安装制动盘的螺栓预紧力对车轮辐板螺栓孔区域的应力状态产

  生影响。笔者将使用单轴疲劳准则、Crossland 准则和Dang Van 准则对车轮辐板区域进行评定,研究轮盘的安装以及螺栓预紧力对车轮辐板疲劳强度的影响。

  1 UIC510-5 标准中的单轴疲劳准则

  每个节点的平均应力σm和应力幅σa满足如下关系:

  车轮制造材料为ER8,辐板区域的屈服极限为355MPa。根据UIC510-5 标准,车轮辐板区域的应力幅小于180MPa。使用Haigh-Goodman 曲线进行评定,其安全系数μ 为:

  2 Crossland 和Dang Van 多轴疲劳准则

  Crossland 准则[5-7]是对Sines 准则进行修正得到的,静水应力对疲劳的影响以其最大值的形式在Crossland 准则中予以体现,等效应力幅σeqc为:

  Dang Van[5]通过研究认为,金属晶体大多易于随载荷的微观起伏而变化,晶粒对外载荷的反映是一种弹性调整,首次提出基于细观尺度上的疲劳准则。Dang Van 准则[2,8]考虑了在循环中承受最大剪切应力幅平面的特性,根据细观尺度上的Lin-Taylor 均匀化假设和弹性Shakedown 原理,将静水应力σH和剪切应力幅τa线性组合起来,其等效应力幅σeqd为:

  3 有限元模型及载荷工况

  本文所分析的高速动车组动力轮对车轮为整体辗钢车轮,车轮为直辐板结构,直辐板与轮毂和轮辋区域通过圆弧过渡,车轮辐板上有6 个定位销安装孔

  和12 个螺栓孔,车轮磨耗到限有限元模型如图1 所示,其中图1a 所示为带制动盘模型,制动盘与车轮辐板接触,辐板两侧制动盘通过12 个螺栓和6 个定位销

  安装在车轮上,图1b 所示为不带制动盘车轮的有限元模型。整个车轮可以看成由12 个图2 所示的结构组成,图2 中的A、B、C 和D 表示经过轮心的截面。

        螺栓的预紧力FP为:

  FP = TP /( KPd) ( 10)

  式中: TP为螺栓紧固力矩; KP为扭矩系数; d 为螺栓公称直径。

  螺栓紧固力矩TP = 100N·m,扭矩系数取GB /T 1231[9]中规定的平均值0.11 ~ 0.15,螺栓公称直径为14mm,故螺栓预紧力FP = 47. 62 ~ 64.94kN。参照UIC510-5 标准,选取以下6 种载荷工况:1) 直线运行工况: 加载垂向载荷P1,过盈量为Δ,最高运行速度运行。2) 曲线运行工况: 加载垂向载荷P2、横向载荷H2,过盈量为Δ,最高运行速度运行。3) 道岔通过工况: 加载垂向载荷P3、横向载荷H3,过盈量为Δ,最高运行速度运行。4) 直线制动工况: 加载垂向载荷P1,过盈量为Δ,最高运行速度运行,制动过程中车轮达到最高温度。5) 曲线制动工况: 加载垂向载荷P2、横向载荷H2,过盈量为Δ,最高运行速度运行,制动过程中车轮达到最高温度。6) 道岔制动工况: 加载垂向载荷P3、横向载荷H3

  ,过盈量为Δ,最高运行速度运行,制动过程中车轮达到最高温度。6 种载荷工

  况中过盈量均为0.297mm。

  车轮沿轨道滚动,考虑到车轮结构的非轴对称性,在车轮上选取多个计算截面( 截面A、B、C 和D) 进行加载,以截面A 为例,钢轨作用于车轮上的机械载荷方向和位置如图3 所示。

  4 温度场分析

  列车最高运行速度vmax = 380km/h。常用制动方式首先采用电制动,列车速度降低至一定值( 一般为5 ~ 15km/h) 时切换为空气制动,若采用电制动产生制

  动力不足,不足的制动力由空气制动补充。假设电制动力不足,列车速度大于15km/h 时,电制动力为其最大制动力的70%,空气制动提供其最大制动力的

  30%; 列车速度小于15km/h 时,只使用空气制动,制动力为最大空气制动力。

  制动盘出现最高温度时的温度分布如图4 所示,制动过程中制动盘的最高温度为278. 1℃,其对应的制动时间为68s; 摩擦面上的温度较高,最高温度产生在远离螺栓孔的摩擦面内侧,制动盘与车轮辐板接触的一侧温度较低。车轮出现最高温度时的温度分布如图5 所示,车轮辐板的最高温度为93.9℃,出现在制动结束时刻。辐板与制动盘接触的区域温度较高,最高温度位于辐板孔边缘,辐板的其他区域温度较低。

  5 辐板区域疲劳强度

  车轮材料为ER8,其对称弯曲疲劳极限W- 1 =245MPa[2],对于钢铁材料,其对称扭转疲劳极限N- 1与对称弯曲疲劳极限W- 1的比值介于0.48 ~ 0.75 之间,本文取其平均值,即N - 1 /W- 1 = 0.615,则N - 1 =150.675MPa。根据UIC510-5 标准的建议,应用Crossland 和Dang Van 多轴疲劳准则对车轮辐板孔区域进行评定,非孔区域应用单轴疲劳准则进行评定。分别使用带制动盘和不带制动盘的有限元模型进行分析,带制动盘模型中螺栓预紧力分别取为47. 62kN 和64. 94kN,辐板非孔区域和辐板孔区域的最小安全系数如表1 和表2 所示。

  以图2 中的截面D 为例,车轮辐板内侧和外侧节点安全系数如图6 和图7 所示。由表1、表2 和图6、图7 的分析结果可知,制动盘的安装以及螺栓预紧力的增大,均使直辐板与轮毂过渡区域的安全系数增大( 见表1) ,但螺栓预紧力的增

  大( 由47. 62kN 增大至64. 94kN) 对此区域安全系数增大的作用远小于增加制动盘的作用。安装制动盘后,辐板内侧面直辐板与轮辋过渡区域( 径向位置为

  375mm 左右) 的安全系数减小( 见图6,虚线值小于实线值) ; 辐板外侧面直辐板与轮辋过渡区域( 径向位置为375mm 左右) 的安全系数增大( 见图7,虚线值大于实线值) ,总体上看,制动盘的安装使辐板与轮辋过渡区域的最小安全系数增大。制动盘安装螺栓的预紧力大小对辐板与轮毂和辐板与轮辋过渡区域的安全

  系数影响较小,这符合圣维南原理。对于辐板孔区域( 见表2) ,安装制动盘后安全系数增大,螺栓预紧力增大使此区域安全系数增大的幅度较小。使用Dang

  Van 准则评定得到的安全系数小于使用Crossland 准则评定得到的安全系数。车轮辐板区域的疲劳强度均满足要求( 最小安全系数均大于1) 。

图7 截面D 辐板外侧节点安全系数

  6 结语

  本文分别建立了无制动盘和带制动盘的车轮强度计算有限元模型,研究了制动盘的安装以及螺栓预紧力大小对车轮辐板区域疲劳强度的影响。根据

  GB /T 1231,带制动盘的有限元模型中螺栓的预紧力分别取为47. 62kN 和64. 94kN,车轮辐板非孔区域使用单轴疲劳准则进行评定,辐板孔区域采用Crossland和Dang Van 多轴疲劳准则进行评定,研究结果如下。

  1) 制动盘的安装使辐板孔区域、辐板与轮毂过渡区域,以及辐板与轮辋过渡区域的最小安全系数增大。为了减少有限元计算规模和计算时间,出于安全考虑,可使用无制动盘有限元模型对轮盘制动车轮进行疲劳强度评定。

  2) 制动盘安装螺栓的预紧力由47. 62kN增大至64. 94kN,车轮辐板各区域的

  安全系数变化较小。3) 对于辐板孔区域的疲劳强度评定,相对于Crossland 准则,使用Dang Van 准则评定得到的安全系数较小,使用Dang Van 准则进行评定更安全。

  参考文献:

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  [4] 唐道武. 列车车轮疲劳强度安全评定的研究[J]. 机车电传动, 2008( 5) : 31 - 33.

  [5] 朱正宇,何国求,陈成澍,等. 多轴非比例加载高周疲劳研究进展[J]. 同济大学学报, 2006, 34( 9) : 1221 - 1225.

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  [8] CHARKALUK E. Revisiting the Dang Van Criterion[J]. Pricedia Engineering, 2009( 1) : 143 - 149.

  [9] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 1231 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.

  [10] KAKUNO H,KAWADA Y. A New Criterion of Fatigue Strength of a Round Bar Subjected to Combined Static and Repeated Bending and Torsion[J]. Fatigue Fract Engng Mater Struet, 1979( 2) .

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