車輪是鐵道機車車輛承載部件中工作條件最惡劣的部件之一，車輪疲勞失效會帶來災難性的后果，為適應國民經濟的發展，滿足貨運市場的需求，鐵路貨車快速化與重載化已成為當前貨車發展的必然趨勢。車輪故障已成為影響貨車發展的重要因素，其中車輪輻板裂紋問題尤其突出。踏面制動是中國貨車車輛最基本的制動方式。列車的制動過程實質上是將列車動能通過閘瓦和車輪踏面轉換為摩擦熱能的能量轉換過程。隨著列車速度和車輛質量的不斷增加，必然導致車輪制動熱負荷的增加，對車輪的疲勞壽命帶來重大的影響。
近年來，在國內外由于制動熱負荷引起的車輪問題是鐵路運輸安全性和經濟性的重大問題之一。特別對于貨車車輛，雖然中國貨車的軸重不算太大，平均運行速度較低，但其使用率較高。另一方面中國貨車車輛與國外相比，更不利的運用條件是其制動工況的苛刻性，主要表現為制動距離短，制動裝置落后和長大下坡道制動等問題，特別是今后在發展提速和重載貨車條件下的制動熱負荷問題必然會對車輪產生更大的影響。根據UIC510-5/2003《車輪技術條件》選取載荷工況，根據UIC510-5/2003附錄部分用軸對稱模型對車輪輻板進行疲勞分析，驗證車輪的疲勞強度是否滿足要求。
本文建立具有軸對稱結構的鐵道機車車輛磨耗到限車輪三維有限元分析模型，由2659個節點和2439個單元組成。
在用ANSYS有限元軟件進行分析時，根據使用PLANE25號軸對稱單元的要求，在整體坐標系的XOY平面上建立模型，x方向為軸對稱模型的徑向，y方向為軸對稱模型的軸向，限制軸線(x=0處)上節點徑向自由度為0，限制車輪輪轂上有過盈量的最外側一個節點的y方向自由度為0，輪軸過盈配合與輪軸傳熱由約束方程來模擬。約束方程的形式為C=∑qi=1[k(i)U(i)]，式中：U(i)為x方向自由度，模擬輪軸傳熱時為溫度；q為方程中項的編號；C為常數；k(i)為U(i)的系數。
在非導向輪對的車輪強度計算中，根據UIC510-5/2003《車輪技術條件》，選取以下3種載荷工況。
(1)直線運行緊急制動工況：垂直動載荷P1+過盈量Δ+車輪最高溫度時對應的角速度+最高溫度載荷。
(2)曲線運行緊急制動工況：垂直動載荷P2+橫向動載荷H2+過盈量Δ+車輪最高溫度時對應的角速度+最高溫度載荷。
(3)道岔運行緊急制動工況：垂直動載荷P3+橫向動載荷H3+過盈量Δ+車輪最高溫度時對應的角速度+最高溫度載荷。載荷關系為Pj=1.25P0H2=9.7P0H3=0.42P0(2)式中：P0為輪重。本文取Δ為0.28 mm。作用于輪軌作用點的機械載荷對車輪作用力的方向和位置。
在計算車輪的應力分布時，為了準確模擬車輪的實際受力情況，用根據計算確定輪軌接觸斑面積的方法計算車輪踏面與鋼軌道間的相互接觸面力。接觸橢圓的縱向和橫向半軸a、b分別為a=m[3πN(K1+K2)/(4K3)]1/3b=n[3πN(K1+K2)/(4K3)]1/3。
系數K1、K2、K3定義為K1=1-σ2WπEW，K2=1-σ2RπERK3=121R1+1R’1+1R2+1R’2；
系數m、n的值取決于比值K4/K3，K4定義為K4=121R1-1R’12+1R2-1R’22+121R1-1R’11R2-1R’2cos(2Υ)1/2(5)式中：N為總正壓力；R1為車輪主滾動圓半徑；R′1為接觸點處車輪型面橫向主曲率半徑；R2為接觸點處鋼軌主滾動圓半徑(鋼軌的R2為∞)；R′2為接觸點處鋼軌型面橫向主曲率半徑；σW、σR分別為車輪、鋼軌材料的泊松比；EW、ER分別為車輪、鋼軌材料的楊氏彈性模量；Υ為含曲率1/R1及1/R2法平面間的夾角。
根據式得到直線運行緊急制動工況、曲線運行緊急制動工況、道岔通過緊急制動工況接觸斑縱向與橫向軸長。近似取接觸斑為長方形，則直線運行緊急制動工況的垂向力P1作用位置的壓強為P’1=P1/(ab)=9.008×10⁸Pa。

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貨車車輪結構疲勞強度的有限元分析