CRH3型动车组车轮的疲劳寿命分析

CRH3型动车组车轮的疲劳寿命分析

李树林;石启龙;杨建伟;张骄

【摘 要】为了真实计算动车组车轮疲劳寿命,在分析国内外车轮相关标准的基础上,

提出了利用车轮静强度分析和有限元名义应力方法的高速动车组车轮强度的分析方

法.基于UIC510-5标准,确定了车轮强度分析的计算载荷工况,利用有限元静强度分

析方法对CRH3型动车组车轮进行疲劳强度评价,结果表明机械载荷工况下车轮强

度满足要求；最后基于线性损伤累积法则,利用有限元名义应力方法和

ANSYS/WORKBENCH得出车轮的疲劳寿命预测图及安全系数图,计算结果满足疲

劳寿命要求,为动车组的安全性维护提供了理论依据,对动车组的安全运行有极强的

实际应用价值.%In order to calculate fatigue life of motor train unit wheels, a

method for analyzing wheel strength of high speed motor train unit is put

forward based on analyzing domestic and international standards in

wheel,by utilizing the wheel static strength analysis and finite element

nominal stress method Then the assumed load for wheel strength analysis

is determined based UIC510-5 standard,and the evaluation for fatigue

strength of the wheel of CRH3 motor train unit is carried out with the help

of finite element static strength analysis,which results show that the wheel

strength satisfy the requirements under mechanical load conditions; Finally

based on the linear cumulative damage law,charts for predicting fatigue

life of the wheel and figure safety factor are obtained by adopting nominal

stress finite element method and ANSYS/ WORKBENCH, which results

calculated meet the requirements of fatigue life and provide a theoretical

basis for security maintenance of motor train uniuThus it is valuable in

practical safe operation of the train.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2011(000)012

【总页数】3页(P228-230)

【关键词】动车组;车轮;有限元;疲劳寿命

【作 者】李树林;石启龙;杨建伟;张骄

【作者单位】太原重工股份有限公司轮轴分公司,太原030024;太原科技大学机械

电子工程学院,太原030024;北京建筑工程学院机电与汽车工程学院,北京100044;

太原科技大学机械电子工程学院,太原030024

【正文语种】中 文

【中图分类】TH16;U270.2

1 前言

我国铁路全面展开了第6 次大提速后，高速动车组的开行使我国跻身世界高速铁

路行列[1]，车轮是保证高速动车组安全运行的关键走行部部件。在动车组高速化

发展的同时，车轮可靠度方面的问题表现的越来越突出，要确保列车的行车安全，

就必须对车轮的可靠性和疲劳寿命提出更高的要求。在吸取国内外经验的基础上，

展开对我国CRH3 动车组车轮疲劳强度的研究。

2 国内外车轮的强度标准与分析方法

2.1 国外车轮强度标准

国际铁路联盟组织的UIC510－5[2]规定在车轮强度检验时，静强度的要求为：

VonMises 应力必须小于弹性极限；车轮轮心已加工的动应力全幅值△σ＜

360MPa，车轮轮心未加工的动应力全幅值△σ＜290MPa。美国AAR 标准S－

660－83《机车和货车车轮设计分析评定办法》[3]规定了计算载荷和工况，采用

了安全系数比较评定办法。

2.2 国内车轮相关研究

国内对车轮的研究较少，没有相关的标准和规程。一些科研人员[4]基于国际铁路

联盟相关标准，确定了国产中华之星动力车车轮强度分析的计算载荷工况，建立了

车轮有限元模型，模拟了运行状态下的车轮应力分布规律，对车轮强度进行分析。

一些科研人员[5]基于UIC510－3 规程和热负荷试验，确定了车轮疲劳强度分析的

计算载荷工况，采用有限元方法数值模拟了运行状态下车轮的应力变化规律，进行

了车轮疲劳强度评定。一些科研人员[6]提出了主动轮和从动轮车轮强度计算的载

荷工况和当量静应力及疲劳应力计算方法。

2.3 分析方法

国内车轮强度的研究中针对高速动车组车轮的研究较少，也没有进行车轮疲劳强度

评估的研究。CRH3型动车组在京津高速专线上的运营，由于其时速较高，车轮负

荷条件经常变化，加上轨道的不平顺等因素的影响，使车轮承受着复杂的随机载荷，

因此车轮的疲劳强度的分析方法研究很重要。据此，以CRH3型动车组车轮为研

究对象，提出了利用车轮静强度分析和有限元名义应力方法的高速动车组车轮强度

的分析方法，对动车组车轮在京津运营专线运行状态进行疲劳强度分析。

3 车轮载荷工况

依据UIC 510－5 标准对CRH3型车轮进行疲劳强度分析，将载荷等效为垂向力

和横向力，位置如图1 所示。直线、曲线和道岔3 种工况的载荷值为：

（1）直线｛P1=－1.25Qg=－104231.3N H1=0

（2）曲线｛P2=－1.25Qg=－104231.3N H2=0.7Qg=58369.5N

（3）道岔｛P3=－1.25Qg=－104231.3N H3=－0.42Qg=－35021.7N

式中：Q=8500kg—车轮的平均质量，即轴重（17t）的一半；g—重力加速度；

P—车轮等效垂向力，kN；H—等效横向力，kN。

4 有限元模型的建立及网格划分

将建好的模型导入有限元前后处理仿真分析系统ANSYS中进行网格划分。由于车

轮受力非对称，所以对车轮进行整体离散，采用八节点三维实体单元。所划分单元

数为13968个，节点数16896个。车轮的离散网格模型，如图2 所示。

图1 车轮机械载荷加载示意图

图2 车轮的离散网格模型

5 车轮机械载荷下结构强度评价

5.1 应力计算方法

在每个载荷工况下，用有限元法计算车轮在上节确定的载荷绕车轮旋转1800的情

况下的应力分布。研究对象为轴对称车轮，利用在轴对称单元上可施加按傅立叶级

数展开的非轴对称载荷，分别计算0°和180°条件下的车轮应力分布，即可确定车

轮的最大应力σmax和最小应力σmin。车轮在直线、曲线和道岔三种工况载荷作

用下，车轮静强度满足设计和运行的条件为：其最大Von Mises 应力不大于许用

应力，即σmax＜［σ］。

5.2 评定方法

（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，

计算其与结构基准线的夹角α，如图3（a）所示。（3）将在其它载荷工况作用下

的主应力σn投影到基本应力分布方向上，将其投影值最小的应力值确定为最小主

应力σmin，如图3（b）所示。（4）由该位置的最大和最小主应力值下式计算平

均应σm和σa应力幅：

（5）用修正的Goodman 疲劳曲线评定车轮的疲劳强度。

图3 主应力方向

5.3 静强度分析

CRH3 车轮所用的材料是25CrMo4 钢，其弹性模量E=206GPa；泊松比v=0.29；

密度ρ=7.8×103kg/m3；定义其为各向同性结构材料。车轮在直线工况下、曲线

工况下、道岔工况下的应力分布图，如图4 所示。由图4 可得车轮在3 种工况下

的最大应力分别为：174.91MPa，181.676MPa，205.22MPa，均小于其弹性极

限391MPa。车轮的静强度满足设计要求。

图4 车轮在直线工况下、曲线工况下、道岔工况下的应力分布图

5.4 车轮强度分析

按上述给出的疲劳强度评定方法对车轮的3个载荷工况的计算结果进行处理，计

算结果表明，车轮腹板和轮轴接触处的应力幅最大，是车轮疲劳强度的薄弱区域按

照公式（1）计算出各车轮的平均应力值和应力幅值。如图5 所示。绘入

Goodman 疲劳极限线。如果落在疲劳极限线图界定的范围内，车轮疲劳强度满

足要求，否则其疲劳强度不足[7]。由结果可知，单纯机械载荷工况下车轮的平均

应力值和应力幅值均落在疲劳极限图界定的范围内，说明单纯机械载荷工况下车轮

疲劳强度满足要求。

表1 25CrMo4 钢机械性能

图5 车轮关键点应力与许用应力比较

6 车轮疲劳寿命分析

6.1 材料的S-N 曲线

进行疲劳可靠性分析，需要长寿命范围的概率疲劳S－N 曲线。欧洲ECCS和瑞典

BSK 标准，在N≥5×106cycles 之后，采用2m－1指数法。所以在此通过2m－

1 指数法进行S－N 曲线外推至长寿命区。在此为了保守计算，外推至。外推后的

S－N 曲线，如图6 所示。

6.2 累积损伤理论

根据迈因纳理论有：

则在i个应力水平级别下分别对应经过次应力循环时，材料疲劳累积损伤为：

式中：ni—第i 级应力水平下经过的应力循环数；Ni—第i 级应力水平下的达到破

坏时的应力循环数。

当D 值等于1 时，认为被评估对象开始破坏。当D 值不等于1 时，其倒数为零件

可能服役的载荷-时间历程次数。

图6 外推后的S-N 曲线

6.3 动应力的获取

为了准确估算高速列车关键零部件的疲劳寿命，必须要用到关键零部件实际运行过

程中受到的应力载荷谱。通过在危险部位贴取应变片来测得需要的数据，如图7

所示。随后利用雨流循环计数方法对载荷-里程进行分级处理，并得到相应级数下

载荷出现的频次，如表2、表3 所示。

图7 车轮右轮实测载荷

表2 车轮的横向力载荷

表3 车轮的垂向力载荷

6.4 疲劳仿真预测结果

在ANSYS/WORKBENCH 中对车轮进行疲劳寿命预测。车轮疲劳损失（寿命）云

图，如图8 所示。得出设计在设计寿命为1E6 次循环的最低寿命为，保证所要求

车轮安全运行2000 万km的要求。安全系数，如图9 所示。将得出的疲劳寿命

结果和预估的疲劳寿命对比，就可以算出输入的安全系数值。车轮疲劳安全系数在

1.376 以上，满足了疲劳寿命要求。

图8 车轮的疲劳寿命图

图9 车轮的疲劳安全系数

7 结论

（1）基于UIC5Sl0—5 规程确定了车轮疲劳强度分析载荷工况，采用有限元方法

数值模拟了在直线、曲线和道岔工况下应力变化规律，说明车轮的静强度满足设计

要求，利用有限元法预测车轮结构疲劳寿命。（2）利用试验测得的随机载荷时间

历程进行寿命分析避免了使用人工编制的周期性程序载荷谱进行寿命分析时各个作

用载荷之间相位难以考虑的缺点。（3）利用有限元名义应力法，疲劳分析相结合

的方法，不仅可以研究动车组在不同运行工况的结构动力学特性对结构寿命的影响，

同时为确定车轮安全检修期提供了理论依据，对火车的安全运行有重大的实际应用

价值，并最终根据系统动态特性优化产品的结构设计和提高其耐久性设计品质。

参考文献

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