CRH2動車組拖車車輪滾動接觸疲勞分析

陳浩森 趙永翔

摘? 要：滾動接觸疲勞已成為車輪踏面及輪輞部位疲勞損傷主要方式之一，為研究CRH2拖車車輪踏面滾動接觸疲勞裂紋萌生壽命，通過建立的集成輪對有限元三維模型，考慮了各部件之間的幾何、多重過盈、滾動接觸的復雜物理構成，利用課題組提出的二次多項式回歸法建立踏面危險部位載荷譜-應力譜轉化關系;基于最大剪應力方法，運用超長壽命結構疲勞可靠性法研究踏面滾動接觸疲勞可靠性;該方法實現(xiàn)了踏面滾動接觸疲勞應力的準確計算，分析得出：踏面滾動接觸區(qū)域以下2.0mm深處在99%置信度和0.9999可靠度下，運行里程是3.29×103;揭示了車輪踏面根部為表面切削和磨耗損失，近基圓和外側出現(xiàn)剝離，拖車車輪踏面滾動接觸部位的影響深度為2.0mm。

關鍵詞：拖車車輪;滾動接觸;疲勞裂紋;可靠性

中圖分類號：D913? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）16-0106-04

Abstract： Rolling contact fatigue has become one of the main ways of fatigue damage on wheel tread and rim. In order to study the initiation life of rolling contact fatigue crack on wheel tread of CRH2 trailer， the three-dimensional finite element model of integrated wheelset is established， and the complex physical composition of geometry， multiple interference and rolling contact between components are considered. The quadratic polynomial regression method proposed by the research group is used to establish the transformation relationship between load spectrum and stress spectrum of tread dangerous parts. Based on the maximum shear stress method， the ultra-long life structure fatigue reliability method is used to study the tread rolling contact fatigue reliability. This method realizes the accurate calculation of the tread rolling contact fatigue stress. The analysis shows that the running mileage of the tread rolling contact area below 2.0mm under 99% confidence and 0.9999 reliability is 3.29×103. It is revealed that the root of the wheel tread is the loss of surface cutting and wear， the peeling off occurs near the base circle and the outside， and the influence depth of the rolling contact part of the trailer wheel tread is 2.0mm.

Keywords： trailer wheel; rolling contact; fatigue crack; reliability

前言

我國高速動車組運行速度的提升，車輛服役環(huán)境愈發(fā)惡劣，運行中隨著輪軌接觸作用力演變，車輪踏面磨耗、變形、多邊形、碾堆及碾邊、剝離等問題[1]，影響車輛運行舒適性和車輛動力學響應及疲勞可靠性降低，可能引起列車脫軌甚至釀成重大安全事故，因此對CRH2型動車組拖車車輪進行輪軌滾動接觸疲勞壽命分析具有至關重要的作用。

國內外學者對踏面滾動接觸疲勞的形成機理進行了大量的研究分析，目前大多數(shù)研究在輪軌滾動接觸疲勞微裂紋產(chǎn)生及其擴展方面，Johnson.K.L，Kapoor.A，Bold等[2-4]認為低循環(huán)疲勞以及棘齒狀疲勞的形成是由于滾動接觸副摩擦力較大，造成材料表面產(chǎn)生塑性流動，最后因累積變形達到材料的韌性極限導致產(chǎn)生裂紋。Alfredsson，Olsson[5，6]認為，裂紋產(chǎn)生于踏面粗糙引起的高應力集中。Dubourg等[7，8]認為，過載或者重載是造成裂紋形成的原因，而剪切應力在裂紋的形成上起到了至關重要的作用。

另外，在輪軌的滾動接觸疲勞方面，金學松等[9]描述了三維彈塑性滾動接觸疲勞的數(shù)值和試驗方法，論述幾種典型疲勞接觸破壞現(xiàn)象，給出了我國部分鐵路現(xiàn)場踏面的疲勞破壞調差報告;國外赤間誠，Ringsberg 等人[10，11]利用有限元技術和 Jiang-Sehitoglu 材料模型建立了輪軌滾動接觸有限元模型，利用疲勞模型對其疲勞進行預測分析;Liu[12]通過對現(xiàn)有疲勞模型進行總結分析后提出了一種基于臨界平面法的多軸高周疲勞裂紋萌生壽命模型;Bernasconi 等[13]運用了Dang-van 多軸疲勞模型和動力學，建立了一個關于評估在輪軌次表面滾動接觸疲勞裂紋啟裂的模擬程序;羅世輝[14]對DF21型內燃機車中間車輪踏面剝離現(xiàn)象進行了分析，認為該型機車中間車輪的滾動接觸疲勞是由于車輪非正常的縱向顫振引起，通過降低中間軸球鉸的剛度后，機車的運用里程超過25萬公里仍未發(fā)生車輪踏面剝離現(xiàn)象。

為保障我國重要高速列車-CRH2型動車組車輪服役可靠性與安全性，本論文開展CRH2型動車組踏面滾動接觸疲勞可靠性工作，同時對高速動車組輪軌疲勞分析的針對性研究較少，該分析結果為確定車輪的安全檢修周期提供了一定的理論依據(jù)，對高速動車組的安全運行有實際指導意義。

1 滾動接觸應力條件

CRH2拖車輪對集成有限元計算方法，采用輪軸集成有限元方法把滾子-滾道改為實體連接，軸箱-軸承-車軸-車輪-制動盤-鋼軌構成整體，考慮復雜多重過盈配合及輪軌接觸復雜關系，完成踏面滾動接觸疲勞應力計算，如圖1所示為踏面滾動接觸疲勞最大剪應力分布。

2 載荷-結構應力譜

利用課題組提出的新的研究車輪載荷-結構應力譜計算方法，建立了踏面滾動接觸部位服役應力譜轉化關系：在nf個獨立力元ng組隨時間變化的載荷譜（Fi，k;i=1，2，…，nf，k=1，2，…，ng），選取軸箱橫向力同向的nJ組（nJ>2nf+1）計算載荷組合（Fi，J;i=1，2，…，nf，J=1，2，…，nJ）。分別完成nJ次準靜態(tài)有限元計算，通過有限元計算獲得關心部位的計算載荷組合-應力（Fi，J-σJ）數(shù)據(jù)，應用下面公式擬合Fi，J-σJ數(shù)據(jù)：

將載荷譜代入上式，可獲得結構關心部位的應力譜如圖2。

3 滾動接觸疲勞可靠性

運用超長壽命可靠性分析方法，利用預留計數(shù)法首先進行譜應力處理，得到應力幅、平均應力及中間應力譜（σai、σavi、ni，i=1，2，...，L），結合材料S-N曲線及Miner累積損傷準則，轉換為當量循應力條件，采用正太分布表證期望壽命Ne下疲勞強度分布，如圖3所示為踏面滾動接出疲勞可靠性分析邏輯流程。

表3給出了車輪滾動接觸踏面以下2.0mm深處，在置信度分別為50%、90%和99%，可靠度為0.5-0.9999下的疲勞壽命預測結果。隨著可靠度的增加，車輪輻板考察部位同樣呈現(xiàn)結構安全壽命減小的趨勢;車輪踏面滾動接觸區(qū)域以下2.0mm深處在99%置信度和0.9999可靠度下，運行里程是3.29×103km。

4 結論

（1）考慮到輪對復雜的幾何構成及服役功能條件，探索建立CRH2拖車輪對集成有限元模型，實現(xiàn)了車輪滾動接觸疲勞應力的計算，考察了踏面滾動接觸疲勞最大剪應力當量應力σS的分布情況。

（2）研究確定了CRH2型動車組拖車車輪踏面滾動接觸部位服役疲勞可靠性壽命，包含50%、95%和99%置信度水平，存活概率為0.5、0.9、0.95、0.99、0.999和0.9999水平的十八組情況，證明了當輪軸表面光滑無缺陷條件下，在有效服務壽命范圍內可高可靠性服役。

（3）計算分析了CRH2型動車組頭車車輪踏面滾動接觸部位疲勞可靠性，揭示了車輪踏面根部為表面切削和磨耗損失，近基圓和外側出現(xiàn)剝離，拖車車輪踏面滾動接觸部位的影響深度為2mm。

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