肖 峰，張澎湃，劉 智，桂興亮

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪公司，安徽馬鞍山243000；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

鐵路機(jī)車車輪輻板疲勞分析

肖 峰1，張澎湃2，劉 智1，桂興亮1

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪公司，安徽馬鞍山243000；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

針對(duì)機(jī)車車輪源于銹蝕坑的輻板疲勞斷裂，參照AAR S-669標(biāo)準(zhǔn)，按照Sines準(zhǔn)則，并考慮熱載荷、拋丸殘余應(yīng)力和表面缺陷的影響，使用有限元軟件ANSYS進(jìn)行疲勞分析。結(jié)果表明：車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合AAR S-669的要求；若車輪無(wú)表面缺陷，即使車輪未經(jīng)拋丸處理且承受大的熱載荷，也不可能發(fā)生疲勞；若車輪有表面缺陷且承受大的熱載荷，隨著應(yīng)力集中系數(shù)的提高，將可能發(fā)生疲勞。

車輪；輻板；失效；疲勞；有限元

車輪是鐵路車輛行走的關(guān)鍵部件，運(yùn)行中受到輪軌間相互作用，踏面制動(dòng)車輪還會(huì)承受制動(dòng)熱載荷。在機(jī)械和熱載荷下，車輪輻板的某些部位可能產(chǎn)生較高的應(yīng)力，因此在車輪設(shè)計(jì)時(shí)，需要評(píng)價(jià)車輪輻板的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。車輪輻板靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的評(píng)價(jià)可采用有限元分析方法，即針對(duì)特定形狀和尺寸的車輪，在給定材料性能、邊界約束和載荷工況等條件下，按照某一有限元分析模型計(jì)算各種載荷工況下車輪輻板的應(yīng)力分布和大小，然后按照特定準(zhǔn)則評(píng)定車輪是否發(fā)生屈服和疲勞失效。一些國(guó)家和地區(qū)制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13979-1[1]、國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC 510-5[2]、北美鐵道協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)AAR S-660[3]和AAR S-669[4]等。但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)在疲勞分析評(píng)價(jià)時(shí)均未考慮踏面制動(dòng)熱載荷、車輪輻板拋丸殘余應(yīng)力和表面缺陷的影響。為此，文中針對(duì)一件采取踏面制動(dòng)、輻板經(jīng)過(guò)拋丸處理并存在銹蝕坑、在美國(guó)運(yùn)行時(shí)發(fā)生輻板疲勞斷裂的車輪，參照AAR S-669標(biāo)準(zhǔn)，考慮熱載荷、拋丸殘余應(yīng)力和表面缺陷的影響，使用有限元軟件ANSYS進(jìn)行疲勞分析。

1 失效車輪基本情況

一件按AAR標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，規(guī)格為D42(新輪直徑為1 067 mm)，輪輞磨耗接近報(bào)廢的的機(jī)車車輪發(fā)生輻板斷裂。失效模式為：車輪運(yùn)行過(guò)程中，輻板內(nèi)側(cè)面靠近輪輞圓弧處(具體位置見圖1)的銹蝕坑在交變應(yīng)力作用下，萌生周向裂紋并逐步擴(kuò)展，直到最后發(fā)生快速斷裂，斷口形貌見圖2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，失效車輪斷口組織和非金屬夾雜物正常。輪輞取樣檢驗(yàn)，化學(xué)成分、顯微純凈度和硬度均符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)AAR M-107/M-208的要求。輻板取樣檢驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度和顯微硬度正常。但失效車輪存在輻板拋丸覆蓋不充分現(xiàn)象。

2 有限元計(jì)算方法及參數(shù)設(shè)置

2.1 有限元模型的建立

將車輪CAD二維圖導(dǎo)入ANSYS軟件中。用Plane77單元進(jìn)行二維熱應(yīng)力分析，用Plane83單元進(jìn)行二維機(jī)械應(yīng)力分析。Plane77是二維8節(jié)點(diǎn)熱實(shí)體單元，是二維4節(jié)點(diǎn)熱單元Plane55的高階版本，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有1個(gè)自由度—溫度[5]。8節(jié)點(diǎn)單元具有一致的溫度形函數(shù)，可較好地適應(yīng)具有曲線邊界的模型[2]，故Plane77單元適用于車輪的二維熱分析。Plane83單元用于承受非軸對(duì)稱載荷的二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的建模，此單元是二維4節(jié)點(diǎn)單元Plane25的高階版本，有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，可以適應(yīng)不規(guī)則形狀而較少損失精度，故Plane83單元適用于車輪的二維機(jī)械應(yīng)力分析。

新車輪及磨耗到限車輪對(duì)應(yīng)的有限元模型分別見圖3，4。新車輪共劃分單元1 268個(gè)，節(jié)點(diǎn)4 086個(gè)，磨耗到限車輪劃分單元1 009個(gè)，節(jié)點(diǎn)3 299個(gè)。

計(jì)算所用材料物理屬性包括對(duì)流系數(shù)、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)等，在AAR S-669標(biāo)準(zhǔn)中均有規(guī)定。

2.2 Sines準(zhǔn)則

通過(guò)計(jì)算車輪某一位置的Sines參數(shù)(SP)來(lái)評(píng)價(jià)其疲勞性能。靜態(tài)或殘余應(yīng)力與交變應(yīng)力疊加作用下的Sines參數(shù)為

當(dāng)SP＜0時(shí)，表示分析位置疲勞強(qiáng)度滿足Sines準(zhǔn)則，即不產(chǎn)生疲勞裂紋；當(dāng)SP＞0時(shí)，表示分析位置疲勞強(qiáng)度不滿足Sines準(zhǔn)則，易于產(chǎn)生疲勞裂紋。

2.3 載荷

在AAR S-660標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于直徑≥1 016 mm機(jī)車車輪，規(guī)定的載荷：垂向載荷(V1，V2)和橫向載荷(L1)分別為317 520，158 760 N，踏面輸入的熱載荷(Th)為27.59 kW，作用時(shí)間為1 200 s，載荷加載位置見圖5。

除按照AAR S-669標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算新輪與磨耗車輪在V1+L1和V22種載荷工況下的應(yīng)力外，文中增加計(jì)算新輪與磨耗車輪在V1+L1+Th及V2+Th2種載荷工況下的應(yīng)力。

2.4 實(shí)際殘余應(yīng)力和銹蝕坑應(yīng)力集中效應(yīng)的考慮

實(shí)際使用的車輪熱處理后還經(jīng)歷全表面機(jī)加工和輻板強(qiáng)化拋丸處理。車輪輻板殘余應(yīng)力并非僅是熱處理殘余應(yīng)力，為使計(jì)算符合實(shí)際，在疲勞源處取樣測(cè)試殘余應(yīng)力，以測(cè)試的殘余應(yīng)力值代替式(1)中熱處理殘余應(yīng)力。采用Proto-iXRD型X射線應(yīng)力分析儀測(cè)試殘余應(yīng)力，檢測(cè)過(guò)程執(zhí)行ASTM E915—2010， EN 15305—2008及GB 7704—2008標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于失效車輪，測(cè)得P點(diǎn)銹蝕坑底部殘余應(yīng)力為+70 MPa（正號(hào)代表拉應(yīng)力）；對(duì)于新車輪，測(cè)得P點(diǎn)表面殘余應(yīng)力為-300 MPa（負(fù)號(hào)代表壓應(yīng)力）。

在零件尺寸突然改變處的橫截面上，應(yīng)力不是均勻分布。在圓孔或切口附近的局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力劇烈增加，但在離開圓孔或切口稍遠(yuǎn)處，應(yīng)力會(huì)迅速降低而趨于均勻，此現(xiàn)象為應(yīng)力集中[6-7]。理論應(yīng)力集中系數(shù)可用有限元方法計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高[8-9]。失效車輪輻板銹蝕坑，深約0.5 mm，長(zhǎng)軸1 mm，短軸0.5 mm，其形貌介于圓孔或切口之間。陳定海等[10]使用有限元軟件ANSYS對(duì)類似形貌的半橢球銹蝕坑應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行分析，得出其應(yīng)力集中系數(shù)約2.06。由于真實(shí)銹蝕坑形貌復(fù)雜，一些銹蝕坑的實(shí)際應(yīng)力集中系數(shù)可能更高[11]，故文中取應(yīng)力集中系數(shù)2.0，2.5，3.0，將其分別寫入后處理程序中進(jìn)行計(jì)算，分析銹蝕坑對(duì)車輪疲勞性能的影響。

3 結(jié)果及分析

按AAR S-669標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算V1+L1，V2，V1+L1+ Th，V2+Th等4種載荷工況下的SP，所得輻板各處SP值均為負(fù)值，其中P點(diǎn)SP見表1。

由表1可見，P點(diǎn)SP值為負(fù)數(shù)，且其絕對(duì)值遠(yuǎn)大于零。說(shuō)明表面不拋丸、無(wú)銹蝕坑車輪的P點(diǎn)，即使在車輪磨耗到限且有熱載荷作用的條件下，疲勞強(qiáng)度依然滿足使用要求。對(duì)于輻板表面拋丸、無(wú)銹蝕坑車輪，采用實(shí)際測(cè)得表面殘余應(yīng)力代替有限元計(jì)算得到的熱處理殘余應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 按AAR S--669標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到P點(diǎn)SPTab.1 SPvalue of P position calculated according to AAR S--669 standard

對(duì)于輻板表面拋丸、有銹蝕坑車輪，采用實(shí)際測(cè)得的P點(diǎn)銹蝕坑深度處的殘余應(yīng)力代替有限元計(jì)算得到的熱處理殘余應(yīng)力，并將其他應(yīng)力項(xiàng)乘以應(yīng)力集中系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 無(wú)銹蝕坑車輪、考慮實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Results of wheels without corrosion pit and with measured residual stress

表3 有銹蝕坑車輪、考慮實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算結(jié)果Tab.3 Results of wheels with corrosion pit,and with measured residual stress and stress concentration factors

由表1，2可知，拋丸產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)力使SP的絕對(duì)值增大，因此疲勞安全系數(shù)變大。由表2可知：對(duì)于只有機(jī)械載荷的工況C3和C4，即使在P點(diǎn)銹蝕坑的應(yīng)力集中系數(shù)取較大值3.0，SP值均小于0，且絕對(duì)值遠(yuǎn)大于零。說(shuō)明若無(wú)熱載荷，無(wú)論新輪和磨耗輪，輻板表面銹蝕坑處都不會(huì)發(fā)生疲勞；對(duì)于機(jī)械載荷與熱載荷組合的工況C5～C10，隨著銹蝕坑應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增大，SP值逐步由負(fù)值變?yōu)檎?。說(shuō)明受熱載荷的影響，加上銹蝕坑底部的殘余應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力和應(yīng)力集中效應(yīng)，車輪疲勞性能變得不安全；比較工況C5與C6，C7與C8，C9與C10發(fā)現(xiàn)，在相同機(jī)械載荷和熱載荷組合及相同銹蝕坑應(yīng)力集中系數(shù)條件下，磨耗輪的SP比新輪的大，說(shuō)明磨耗輪比新輪更易發(fā)生疲勞。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)AAR S-669標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失效車輪進(jìn)行疲勞分析，結(jié)果表明車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合AAR S-669標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)若車輪無(wú)表面缺陷，即使車輪未經(jīng)拋丸處理且承受大的熱載荷，也不可能發(fā)生疲勞；若車輪有表面缺陷且承受大的熱載荷，隨著應(yīng)力集中系數(shù)的提高，將可能發(fā)生疲勞。

3)在相同機(jī)械載荷與熱載荷組合、相同銹蝕坑應(yīng)力集中系數(shù)的條件下，磨耗車輪比新車輪更易發(fā)生疲勞。

[1]CEN/TC 256.EN 13979-1:2003 Railway Applications-wheelsets and Bogies-monobloc Wheels-technical Approval Procedure-Part 1:Forged and rolled wheels[S].Brussels:European Committee for Standardization,2003:1-45.

[2]International Union of Railways.UIC 510-5-2007 technical approval of monobloc wheels[S]//Application Document for Standard EN 13979-1.Paris:Railway Technical Publications ETF,2007:1-40.

[3]AAR WABL Committee.AAR S-660:2009 Wheel Designd,Locomotive and Frright Car-analytic Evaluation Standard[S].Washington,DC:Association ofAmerican Railroads,2009:237-241.

[4]AAR WABL Committee.AAR S-669:2012 Analytic Evaluation of Locomotive Wheel Designs Standard[S].Washington DC:Association ofAmerican Railroads,2012:125-142.

[5]王金龍，王清明，王偉章.ANSYS 12.0有限元分析與范例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010:165.

[6]劉鴻文.材料力學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2004:344.

[7]Beer F P,Jr Johnston E R.Mechanical of Materials[M].Six Edition.USA,McGraw Hill,2012:115-116.

[8]朱曉東,覃啟東.基于ANSYS平臺(tái)含圓孔薄板的應(yīng)力集中分析[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版)，2004,24(5):51-53.

[9]Enab TA.Stress concentration analysis in functionally graded plates with elliptic holes under biaxial loadings[J].Ain Shams Engineering Journal,2014,5(3):1-12.

[10]陳定海，穆志韜，田述棟，等.腐蝕坑應(yīng)力集中系數(shù)影響分析[J].新技術(shù)新工藝，2012(7):97-99.

[11]Dedmon S L.The relationship between design,processing and shot peening on wheel plate failures[C]//Proceedings of the 2014 Joint Rail Conference.Colorado,USA,2014:1-7.

責(zé)任編輯：何莉

FatigueAnalysis of Railway Locomotive Wheel’s Plate

XIAO Feng1,ZHANG Pengpai2,LIU Zhi1,GUI Xingliang1
(1.Wheel Company,Ma'anshan Iron&Steel Co.Ltd.,Ma'anshan 243000，China;2.Institute of Metal&hemistry, ChinaAcademy of Railway Sciences,Beijing 100081，China)

For the fatigue fracture of locomotive wheel resulting from a corrosion pit on the plate,the fatigue analysis was performed by applying the Sines criterion referring to AAR S-669 standard,as well as taking thermal loading and peening residual stress and surface defect into account.Results show that the structure design of this wheel satisfies the requirement of AAR S-669.If there is no defect on the surface,the fatigue cannot happen under great thermal load even though the plate is not peened;if there are defects on the surface,the fatigue is predicted under great thermal load as the stress concentration factor of the surface defect rises.

wheel;plate;failure;fatigue;finite element method

U270.33;TB122

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.04.005

2015-08-29

肖峰(1967-)，男，湖南懷化人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殍F路用輾鋼車輪相關(guān)技術(shù)及質(zhì)量管理。

1671-7872(2015)-04-0320-05