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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(shí)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(dòng)作用力，同時(shí)，制動(dòng)時(shí)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(jì)中，車輪的安全性、可靠性設(shè)計(jì)就顯得極為重要。隨著現(xiàn)代計(jì)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(chǎng)等多種分析功能。我們利用其強(qiáng)大的計(jì)算功能進(jìn)行了大量有實(shí)際意義的設(shè)計(jì)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(dòng)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(píng)定，只有美國(guó)AAR標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)車和貨車車輪設(shè)計(jì)分析評(píng)定辦法》(以下簡(jiǎn)稱：美國(guó)規(guī)范)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了計(jì)算載荷、計(jì)算工況，采用了比較的評(píng)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(jì)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(wú)完整的關(guān)于車輪的分析評(píng)定方法，我們根據(jù)多年來從事輪軸設(shè)計(jì)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(guó)規(guī)范采用對(duì)比法，對(duì)新輪和磨耗到限車輪分別計(jì)算，同時(shí)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(jì)算對(duì)象。
車輪在運(yùn)行過程中承受多種復(fù)雜的載荷。軌道對(duì)車輪徑向和橫向作用力、制動(dòng)過程中閘瓦對(duì)車輪的摩擦熱負(fù)荷、輪對(duì)壓裝過盈配合、高速時(shí)旋轉(zhuǎn)引起的離心力等均對(duì)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(duì)車輪的應(yīng)力影響較大，同時(shí)對(duì)輪軸的壓裝配合緊固度也有很大的影響，因此計(jì)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(jì)算模型考慮比較惡劣的工況，計(jì)算不計(jì)制動(dòng)時(shí)閘瓦所吸收的熱量，假設(shè)熱量全部被車輪吸收，且在整個(gè)車輪踏面圓周上均勻的輸人，亦即熱負(fù)荷是軸對(duì)稱的，該問題屬于軸對(duì)稱問題，但為了在應(yīng)力計(jì)算中采用同一模型，以便利用溫度場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果，因此根據(jù)車輪結(jié)構(gòu)及載荷的對(duì)稱性，建立1/2車輪模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖。
溫度場(chǎng)計(jì)算溫度場(chǎng)計(jì)算的載荷是由于對(duì)車輪施行恒速制動(dòng)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(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖。強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算單元類型是SDLID45結(jié)構(gòu)分析體單元。計(jì)算熱應(yīng)力所需的溫度場(chǎng)分布可直接從前面的熱計(jì)算結(jié)果中讀取。模型在對(duì)稱面節(jié)點(diǎn)上施加對(duì)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(duì)車輪從靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及輪軸緊固度三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定。W靜強(qiáng)度分析及評(píng)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(jì)算公式為計(jì)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(dòng)和曲線制動(dòng)工況下等效應(yīng)力分布情況。
疲勞強(qiáng)度評(píng)定由于車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)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(jì)算，計(jì)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(jì)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(píng)定車輪運(yùn)行過程中，為保證車輪和車軸不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)或脫離，計(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)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(duì)車輪強(qiáng)度進(jìn)行全面分析，對(duì)加快輪軸產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性，有著重要的意義。(3)車輪設(shè)計(jì)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(jì)│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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