基于有限元方法的动车组车轮安全性能评估

节点的主应力遥
按照式 渊1冤袁 可以计算出 4 种载荷工况以最大
过盈量和有离心力作用下的车轮静强度安全系数袁
见表 1遥
表 1 车轮静态验证结果
载荷工况 1 2
滓 eqv /M Pa
320.48
330.15
浊vM 1.108 1.075
载荷工况 3 4
滓 eqv /M Pa
325.70
334.17
浊vM 1.090 1.062
量的影响及离心力的影响遥 对车轮加载截面辐板表 面内尧 外侧节点以及直径 25 的孔的节点进行验证遥
从表 1 的计算结果可以看出袁 车轮静强度在标 准[1]要求的范围内袁 即静强度计算结果满足车轮安 全性能要求遥 2.2 疲劳强度计算
疲劳验证考虑了 3 种载荷工况尧 最大压装过盈
SC I-T E C H IN N O V A T IO N & P R O D U C T IV IT Y
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晕燥援6 Jun. 圆园20袁栽 燥贼葬造 晕燥援317
. All 随Ri着g动ht车s组R运e行se速r度ve的d不. 断提高袁 对其走行部
件安全性能的要求也不断提高袁 科学合理地评估动 车组车轮安全性能势在必行遥 动车组车轮在结构上 虽然为一个整体袁 但各部位结构差异较大袁 在运行 过程中各部位所起的作用也不相同袁 而且车轮在实 际运行过程中受力复杂袁 既有轮轨间的接触力 渊包 括横向力和纵向力冤袁 还有轮轴配合部位产生的约 束力及通过轴承传递的整个车体的重量 渊垂向力冤袁 上述各种载荷还会因线路尧 速度及外界环境等因素 的变化而发生变化袁 因此袁 对车轮安全性能进行评 估难度较大袁 欧洲标准[1]推荐采用有限元方法对车 轮辐板部位的安全性能进行评估遥
基于欧洲标准袁 为满足车轮运营安全性袁 本文 提出了基于有限元分析软件 A N SY S 的动车组车轮 有限元模型的建立及静强度和疲劳强度的分析计 算袁 从而对车轮安全性能进行评估遥 首先根据车轮 名义尺寸建立车轮的有限元模型袁 然后根据车轮结 构对称性确定加载平面并按照标准给出的工况及工 况载荷对各加载面进行加载计算袁 通过有限元计算 结果并结合车轮结构特点选择合理的强度准则对车 轮进行静强度及疲劳强度计算袁 从而得出车轮强度
最薄弱的部位袁 在该部位附近区域粘贴应变片对该 实体车轮进行疲劳试验验证袁 将疲劳试验的结果与 有限元计算结果进行比较袁 比较结果验证了有限元 计算结果的正确性遥 1 有限元模型的建立 1.1 模型的建立
以某型号动车组动车车轮为例袁 依据车轮产品 图纸及材料特性袁 参数弹性模量 E 为 210 M Pa袁 剪 切应变 酌 为 0.29 袁 [2] 用 A N SY S PLA N E 182 平面轴对 称单元建立车轮的二维有限元模型袁 见图 1遥 考虑 到车轮毂孔部位的圆弧仅为满足结构或使用上的要 求而设置袁 并非根据强度要求而存在袁 为了便于有 限元网格的划分袁 将该部位的圆弧过渡简化为直线 连接过渡遥 整个车轮的三维有限元模型采用 A N SY S SO LID 185 结构单元[3]袁 见第 48 页图 2遥
文章编号院1674-9146渊圆园20冤06原园47原园5
术 A p p lied T ech n o lo g y 应 用 技
基于有限元方法的 动车组车轮安全性能评估
贺妍
渊 智奇铁路设备有限公司研发中心袁 山西 太原 030032冤
摘 要院基于欧洲车轮设计标准袁 提出了基于有限元分析软件 A N SY S 的动车组动车车轮有限元模型的建立袁 根据标准 给出的工况及各工况载荷值进行了有限元计算袁 结合车轮结构特点采用合理的强度校核准则对车轮静强度及疲劳强度 进行了分析袁 得出了车轮不同部位的安全系数曰 同时基于强度计算结果对该型号实体车轮进行了全尺寸疲劳试验验证袁 疲劳试验结果与有限元计算结果基本一致袁 从而证明了有限元计算及疲劳分析方法的正确性袁 为车轮有限元模型的建 立及安全性能评估提供了借鉴和参考遥 关键词院有限元模型曰静强度曰疲劳强度曰实体车轮曰全尺寸疲劳试验 中图分类号院U 264.8 文献标志码院A D O I院10.3969/j.issn.1674-9146.2020.06.047
应 用 技 术 A p p lied T ech n o lo g y

图 2 车轮的三维有限元模型
1.2 载荷施加
为了模拟实际运行工况袁 在车轮毂孔部位建立 模拟车轴[4-5]袁 用于建立实际工况下轮轴配合部位的
约束遥 在有限元模型中袁 轮轴之间的配合作用通过
接触单元 contact172 和目标单元 target170 进 [6] 行模
拟袁 通过建立接触对设定压装过盈量的值[7]从而施 加该部位的配合约束袁 轮轴间摩擦系数为 0.12 遥 [8]
根据车轮对称性确定加载平面 袁 [9] 按照标准给 出的 4 种载荷工况[1]尧 各工况对应的载荷值[7]及载荷
加载位置对各加载平面进行加载袁 载荷以集中力的 方式施加在相应的位置 曰 [10] 在模拟车轴两端施加径
向尧 周向约束袁 其中一端施加轴向约束曰 离心力的
. A作 ll用根 Ri据g车 ht轮s设R计e速se度r[v7]以ed角.速度方式施加遥
2 强度计算
2.1 静强度计算
由 FEM 计算得到的静态验证结果通过第四强
度理论[11]可以计算出安全系数袁 计算公式为
浊vM = R e/滓eqv .
图 1 车轮的二维有限元模型
收稿日期院圆园20原04原09曰修回日期院圆园20原05原08 作者简介院贺 妍渊 1982- 冤 袁女袁山西文水人袁工程师袁主要从事轮对产品设计开发研究袁E - m ail院309418904@ 遥
科技创新与生产力
2020年 6 月 总第 317 期
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渊1冤
式 中 院 R e 为 车 轮 材 料 米 塞 斯 等 效 应 力 极 限 值 袁 [1]
M Pa曰 滓eqv 为根据有限元结果计算的米塞斯等效应
姨 力值袁 滓eqv=
1 [渊滓1 - 滓2 冤2 + 渊滓2 - 滓3 冤2 + 渊滓3 - 滓1 冤2]曰 2
其中袁滓1袁 滓2袁 滓3 为在已知载荷工况和径向位置的