城市轨道地铁转向架新制车轮强度分析

刘 洋，莘海萍

摘要：本文根据标准规定选用ANSYS有限元软件分别对城市轨道地铁转向架新制车轮在超常载荷工况、正常运行和紧急制动过程中的各个载荷工况下进行强度进行分析研究，保证车轮的静强度与疲劳强度满足要求。

关键词：ANSYS有限元；地铁转向架；载荷；车轮

1前言

伴随着城市经济的发展，对城市轨道交通地铁车辆的需求越来越大，而车轮作为轨道车辆不可缺少的重要承载转向架部件，新造车轮的可靠性能关系着整个列车的安全。新造车轮的强度是考验车辆稳定安全性，对城市轨道地铁转向架新制车轮强度分析是十分重要的。

2新轮模型

2.1新轮网格模型

车轮强度分析使用大型有限元分析软件ANSYS。新轮装配结构有限元模型由367310个节点和344344个单元组成；磨耗到限轮装配结构有限元模型由343110个节点和321544个单元组成。选用三维面对面（surface-to-surface）接触单元CONTA173及目标单元TARGE170进行轮轴配合（过盈配合）部位的接触模拟，通过接触单元实常数设置其过盈量，接触单元和目标单元分别为5800个。

2.2边界条件

在不同的计算载荷工况下，车轮承担的计算载荷作用在轮轨接触点位置，在车轴的一端横截面上施加x、y、z方向的位移约束，另一端施加x和z方向的位移约束。对有限元模型整体施加角速度。

3强度评定方法

3.1静强度的评定

在规定的计算载荷作用下，车轮静强度满足设计和运行的条件是：最大当量应力不大于许用应力，车轮材料为CL60钢，CL60 钢的机械性能优于ER7钢^[1]。出于安全考虑，CL60 钢的许用应力参照ER7 钢选取。依据标准UIC 510-5，材料许用应力取355MPa。

3.2疲劳强度评定

UIC510-5 和EN13797-1 标准给出评定车轮疲劳强度的评定方法为

（1）确定车轮在不同载荷工况作用下的主应力值和方向；

（2）将所有载荷工况作用下的最大主应力方向确定为基本应力分布方向，其值为计算最大主应力σmax ，计算其与结构基准（节点位置与车轮轴线组成的平面）的夹角α，如图6 (a)所示；

（3）将在其它载荷工况作用下的主应力投影到基本应力分布方向上，其投影值最小的应力值确定为最小主应力σmin。

通过有限元计算程序输出计算模型节点的应力分布信息，确定每个节点在不同载荷工况作用下的最大和最小主应力值，评定车轮的疲劳强度。

4新轮结构强度分析

由于加载载荷为集中力，所以各工况计算出的最大应力值出现在加载点处，但实际运营过程中车轮与轨道接触为面接触而非点接触，因此，可忽略加载处的高应力点。各载荷工况具体结果分析如下文所述^[2]。

4.1 新轮的静强度分析

4.1.1超常载荷工况

在超常计算载荷作用下，新轮最大von_Mises应力为296.2MPa，出现在轮轴过盈配合的起始接触区域。

4.1.2正常运营载荷工况

（1）直线运行工况

在直线运行工况下，新轮最大von_Mises应力为278.2MPa，出现在轮轴过盈配合的起始接触区域。

（2）曲线通过工况

在曲线通过工况下，新轮最大von_Mises应力为289.3MPa，出现在轮轴过盈配合的起始接触区域。

（3）道岔通过工况

在道岔通过工况下，新轮最大von_Mises应力为286.2MPa，出现在轮轴过盈配合的起始接触区域。

4.2制动状态下的载荷工况

（1）直线制动工况

在直线制动工况下，新轮最大von_Mises应力为278.8MPa，出现在轮轴过盈配合的起始接触区域。

（2）曲线制动工况

在曲线制动工况下，新轮最大von_Mises应力为289.3MPa，出现在轮轴过盈配合的起始接触区域。

（3）道岔制动工况

在道岔制动工况下，新轮最大von_Mises应力为286.8MPa，出现在轮轴过盈配合的起始接触区域。

5新轮的疲劳强度

5.1新轮辐板内侧面

通过疲劳分析，得出新轮辐板区域内侧面表面的最大应力、最小应力、平均应力、应力幅、安全系数，节点的应力幅值与对应的许用应力幅的比较如打点图1。新轮辐板内侧最小安全系数为2.172，满足疲劳强度要求。

图1 新轮辐板内侧节点应力幅与许用应力比较Haigh图

5.2新轮辐板外侧面

通过疲劳分析，得出新轮辐板区域内侧面表面的最大应力、最小应力、平均应力、应力幅、安全系数，节点的应力幅值与对应的许用应力幅的比较如打点图2。新轮辐板外侧最小安全系数为1.964，满足疲劳强度要求。

图2 新轮辐板外侧节点应力幅与许用应力比较Haigh图

6结论

在UIC510-5和EN13979-1标准规定的计算载荷和载荷工况下，综合上述对车轮结构强度分析结果，可以得出如下结论：

（1）新轮在超常载荷工况、正常运行和紧急制动过程中的各个载荷工况（直线、曲线、岔道工况）下，新轮各个区域的最大von_Mises应力均小于其材料的许用应力355MPa。

（2）新轮在超常载荷工况、正常运行和紧急制动过程中其最大von_Mises应力为296.2MPa，出现在超常载荷工况下轮轴过盈配合的初始接触区域，新轮的静强度满足设计要求。

（3）新轮在正常运行和紧急制动状态下，辐板区域的最大应力幅值均小于制造材料的许用应力值180MPa；

（4）辐板内侧的最小安全系数为2.172，辐板外侧的最小安全系数为1.964，新轮的疲劳强度满足要求。

7参考文献

[1] 刘洋，莘海萍，柳士强.防止80B型地铁转向架横梁焊接缺陷的工艺.焊接技术,2019第48卷第9期:57—58

[2].樊亚斌.IGM焊接机器人在转向架横梁组成生产中的应用[J].金属加工,2017(12).