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車輪是鐵道機車車輛的關(guān)鍵承載部件，其疲勞失效會帶來災(zāi)難性的后果。自1998年6月德國ICE高速列車在Eschede發(fā)生事故以來，車輪疲勞失效的研究受到了前所未有的重視。隨著列車的運行速度和載重量的不斷提高，會使輪軌動作用力不斷加大，作為高速列車關(guān)鍵承載部件的車輪所承受的工作載荷也會顯著增加。近年來，提速列車、準高速列車和高速列車車輪疲勞破壞時有發(fā)生，為列車的安全運行留下了隱患。尋找另外一種有效的工程計算方法，為確保車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度分析滿足工程應(yīng)用的要求，具有十分重要的意義，本研究以我國270km/h輪對空心軸式高速動力車車輪為例，探討高速列車車輪強度分析的工程計算方法。
車輪結(jié)構(gòu)具有較為復(fù)雜的幾何形狀，用傳統(tǒng)的彈性力學(xué)計算方法難以得出計算精度較高的解，隨著有限元法和數(shù)值計算方法的不斷發(fā)展，應(yīng)用有限元分析計算法(FEM)對車輪強度進行分析得到推廣。對于軸對稱結(jié)構(gòu)的車輪，采用ANSYS有限元軟件提供的軸對稱單元進行計算，此類單元可承受非軸對稱載荷;對于非軸對稱結(jié)構(gòu)的車輪，采用三維8節(jié)點或20節(jié)點六面體實體單元或10節(jié)點四面體單元建立有限計算模型，如圖所示。
車輪在工作壽命期間會出現(xiàn)踏面磨耗、表面剝離和表面擦傷等破壞，當(dāng)其達到一定的程度時就需進行旋輪處理，直到車輪踏面幾何尺寸達到設(shè)計的極限狀態(tài)(磨耗到限)，該車輪的使用周期完成。因此，磨耗到限車輪的應(yīng)力水平高于新造車輪，在強度計算時，以車輪磨耗到限的幾何尺寸作為計算的基礎(chǔ)，以保證車輪在整個使用周期的安全性。
軸盤制動和輪盤制動為高速動力車基礎(chǔ)制的主要形式，在動力車運行過程中，車輪承擔(dān)的主要載荷包括輪軌接觸點作用力、輪軸過盈配合產(chǎn)生的力和車輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。因此，根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟和歐洲鐵路聯(lián)盟CEN的相關(guān)標準，將高速動力車車輪在線路運行中承擔(dān)的載荷劃分為4個載荷工況，車輪在上述載荷作用下，其應(yīng)力分布呈三向變化應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的強度評定分為靜強度和疲勞強度。
在車輪的每個載荷工況下，用有限元法計算車輪在上節(jié)確定的載荷繞車輪旋轉(zhuǎn)180°的情況下的應(yīng)力分布。對于軸對稱結(jié)構(gòu)，利用在軸對稱單元上可施加按傅立葉級數(shù)展開的非軸對稱載荷，分別計算和180°條件下的車輪應(yīng)力分布，即可確定車輪的最大應(yīng)力max和最小應(yīng)力min，對于非軸對稱結(jié)構(gòu)，確定載荷繞車輪旋轉(zhuǎn)180°的條件下的車輪應(yīng)力分布，找出車輪的最大應(yīng)力值。
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