高速机车车轮裂纹分析

高速机车车轮裂纹分析

林方勇 刘缙熹

中车大连机车车辆有限公司 辽宁大连 116021

摘要：近几年以来，我们中国的铁路建设特别是高速铁路的发展尤为迅速，其中最有代表性的标志就是高速铁路的发展让铁路的运行速度逐年的不断提高，中国实现了在高速铁路的发展道路上弯道超车，而中国的高铁技术也开始在各种方面上领先世界。然而，我国的高速铁路的速度越快就越应该让高速铁路更有安全性，更具稳定性保障人们的生命安全，对于高速机车来说它的车轮作为机车的关键的承载部件它的稳定性，安全性与可靠性必须有一定的保障，才能在最大程度上使高铁机车稳定安全的运行。本文通过各种理论与方法，一步一步的论证相关的数据，再计算与实验模拟中成功的证明了该高速机车车轮中的注油孔是车轮上的最薄弱的部分，这让我们在今后的高速机车的车轮设计与制造中更加注重注油孔对整个车轮的影响。

关键词：车轮; 疲劳裂纹; 注油孔; 疲劳强度; 有限元分析

引言:中国铁路的安全性在我国的设计和建设中必须要放在最重要的位置，而良好的设计和建造是在一步步的实践和探索之中得到的。而在某高速机车车轮实验过程中，当实验进行到200万次时，车轮的注油孔及其背面位置处产生了裂纹，因此，针对这一实验产生裂纹的现象，本文对该实验进行了理论上的分析，通过主应力法等理论分析方法，来分析描述高速机车车轮注油孔附近最容易出现裂纹的原因。

1 某高速机车车轮裂纹现象

在高速机车车轮疲劳实验中的高速机车车轮是直辐板整体车轮在实验中进行到200万次时产生的裂纹，在注油孔位置该实验使实验物品出现裂纹的现象说明了该车轮仍有缺陷不能通过安全的检测，而出现裂纹的车轮的材质则是R9T材料。

2 有限元模型

首先来说，我们应该建立出车轮的有限元模型，所以对于该试验中出现的车轮，我们应该通过真实的实验中的车轮为根本依据来建造出实体的模型，并且对该实体模型进行相应的简化处理，将对于我们的研究来说用不上的地方消除，并依据相关标准建立有限元模型。对于注油孔区域，我们应该将其作为重点去关注，而对于这个位置区域来说建立起该区域的子模型对于其重点分析关注才是最好的选择。

3 疲劳强度分析

对于高速机车车轮的疲劳实验来说，其分析实验结果和进行实验都会有一定的相关标准，而这种实验的该有限元分析的标准为UIC510-5。因此，当我们在进行相关指标分析之时，我们应该按照其实验的标准下的相关的计算公式和计算指标来进行正常的分析，以保障我们的分析出来的结果是正确无误的。

3.1 标准规定工况下车轮疲劳强度分析

3.1.1 计算载荷及工况

根据该高速机车车轮疲劳实验的相关标准，力对于该车轮的作用在不同的时候，力作用于车轮的位置也并不相同，我们应该在不同的情况下研究车轮与和它进行摩擦接触的轮轨的相互作用的力的位置。由此我们选取该车轮的截面进行计算，将截面2、3、4经过注油孔，且其相隔为15度，以便于我们观察和计算相应的力的分布。

3.1.2 边界条件

根据观察和理论分析，在车轮进行了摩擦接触后，根据有限元模型的表现出来的力的作用位置和力的作用于车轮的方向，我们应该以圣维南原理，将其在实验和理论分析中展现出来的相关数据一同施加于该车轮的子模型之中，由此我们就有依据来建立螺栓子模型的边界条件。

3.1.3 计算结果

3.1.3.1 主应力法

根据该实验得出车轮疲劳实验的标准，可以用单轴疲劳理论作为研究的理论可以准确的研究出相关的数值，并且我们可以应用主应力法判断车轮的相关疲劳强度，根据这种方法的公认的简单的原理，我们可以轻松地计算出我们想要的位置的应力范围。首先，我们知道在车轮上不同的载荷情况都有着不同的力的作用，所以我们应该要一步步确定每一个的不同载荷情况下的最大的应力和该应力所对应的方向，其次在进行所有或者说大量的载荷情况下的数据收集之后，将所收集的最大应力数值和方向作为主应力的数值和方向，最后我们就能根据所有情况下的主应力，由投影来确定出最大和最小主应力。

通过这种的主应力算法，我们可以得出车轮的各个点的相关的受力参数。根据该实验所依据的标准，由此能够知道各点的允许动用应力的范围是360 MPa。

3.1.3.2 修正的Crossland疲劳准则

由于在该实验中车轮的相关受力点和受力方向的分析和检测太过于复杂，可以用更好的相关准则进行疲劳强度的判断，所以对于实验中的高速机车车轮我们可以用多轴疲劳准则来作为疲劳强度的判断。为了能够更精准地判断其受疲劳应力的范围，修正的Crossland疲劳准则能够使我们更好的将得出来的结果进行进一步的补充和检验，在这种理论的补充和帮助之下我们通过计算得出注油孔边的最大的动力范围数值超过了360MPa，并达到了372.56MPa。

3.2

试验工况下车轮疲劳强度分析

实际试验工况是车轮的真实测验，就是将车轮安装在实验装置中不停地施加交变载荷，并采取有限元模型进行模拟实验分析，在不断的进行模拟测试后得到车轮的注油孔区域应力的数值。根据数据我们知道车轮辐板的应力范围最大值490.27MPa，那么在根据模拟测试的实际测验之中得出的该注油孔的应力范围的最大值为508.6MPa。从中可以得出结论:在实验中的高速机车车轮中注油孔附近是该车轮的薄弱之处，其结果与该高速机车车轮裂纹实验得出的结果相吻合。

结束语

本文根据高速机车车轮裂纹的实验，发现在实验过程中注油孔有裂纹产生的实验状况，深入细致地分析了该实验状况产生的原因，并且以认真负责的态度建立了该车轮相关的模型，通过其实验的标准来确定并具体分析计算了，注油孔部位的疲劳强度和应力值范围。分析结果表明注油孔附近的位置，正是该高速机车车轮的最薄弱之处，并与该实验相关结论相吻合。该实验和分析在事实上说明了今后我们在对高速铁路机车的车轮进行设计之时，应该注重细节的设计，必须要考虑索要设计的车轮中的注油孔对高速机车车轮的安全性的影响，避免与此类车轮实验相同的车轮出现裂纹的现象再次发生，为我国的高速铁路的持续发展做出贡献。

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