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铁路与轨道交通 |
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铁路机车车轮强度试验有限元仿真 |
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作者：秦宇 蔡敢为 任延举 张磊 |
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目前大多数机车采用刚性车桥，其车轮承担整机的重量与各种工作负荷，同时把路面的工作反力传递给车架。车轮还是行走、支承、导向和缓冲的构件。车轮结构的优劣对机车能否行驶及行驶性能的好坏有很大的影响。车辆的作业环境复杂，施工条件恶劣，在行驶或作业过程中振动强烈，不仅降低了机器的使用寿命与工作性能，而且还通过各种途径传递给驾驶人员，使驾驶人员产生疲劳，而地面不平度的随机激励是整机的主要振动源，车轮便是这个振动的直接传递者，那么车轮性能的好坏就显得尤为重要了。本文针对某车轮的强度分析，可以为各类机车上使用的车轮的强度分析方法提供一定的参考。
车轮强度试验应包括动态弯曲疲劳试验及车轮螺母座刚度试验。目前对车轮进行强度分析和寿命预测的主要方法是对车轮钢圈单独建模加载分析，这种方法虽然方便、快捷，但忽略了一些重要的影响因素，由于没有考虑螺栓预紧力对车轮应力分布的影响及法兰盘对车轮的作用效果，分析结果往往和车轮的实际情况具有较大的差异。螺栓预紧力及法兰盘对车轮应力分布又有着举足轻重的影响。因而在对车轮进行强度分析和寿命预测时一定要考虑这些因素的影响。而对螺母座强度分析，前人方法是对螺母座局部造型，直接表面加载，这样很难实现与实际受力工况等同，这里模型加入螺母，更好模拟实际情况。
本文应用有限元分析软件ANSYS对车轮进行包括加载轴在内的整体有限元建模，并在此模型的基础上，通过旋转加载模拟车轮动态弯曲疲劳试验，得到车轮应力分布图，分析了车轮的强度情况，预测了车轮的疲劳寿命；接着建立车轮l，4模型，对车轮螺母座刚度试验进行模拟，从而得到螺母座局部应力分布以及位移变化，最后通过实例对研究结果进行了验证。
1 车轮有限元模型的建立
图1所示为车轮动态弯曲疲劳试验装置简图。
图1 动态弯曲疲劳试验方法
试验时用卡盘将车轮下缘处固定在旋转体上，即紧固；在加载轴支点处施加径向载荷，通过力臂对车轮形成弯矩；借助旋转体旋转施加动态弯曲。应用ANSYS软件的相关功能，可建立包括加载轴与连接螺栓在内的车轮台架整体有限元模型。如图2所示。
图2 车轮动态弯曲疲劳试验台架整体模型
对于螺母座刚度试验，采用紧固力矩法，图3所示为试验装置简图。试验时车轮固定在试验平台上，对任意一个螺母用力矩扳手加载，施加紧固力矩为30N·m→100N·m→oN·m→30N·m的载荷历程。研究对象为螺母座，基于车轮在几何形状及载荷上的特点，为减小计算规模、节省计算时间，按前后左右对称取1/4。由于紧固力矩需要施加到螺母上，还要对螺母建模。通风孔等存在与否对位移几乎没有影响，可以将其省略。可以将模型进行必要简化，如图4所示。
图3 车轮螺母座试验
图4 车轮螺母座有限元模型
2 车轮有限元模型边界条件和加载方式
车轮有限元模型边界约束条件及力的加载方式对车轮的强度分析和寿命预测结果的精度影响极大。因而选取适当的车轮有限元模型边界约束条件及力的加载方式是十分重要的。
对动态弯曲疲劳试验，根据试验条件可知，试验中力的加载位置有三处：一是车轮轮辋边缘，施加的是固定载荷约束；二是螺栓孔，通过螺母螺栓施加预紧力；三是加载轴端，在支点处施加径向载荷。
根据弯曲疲劳试验方法，这里在车轮轮缘施加(All DOF)约束，即所有六个自由度全约束，作为固定约束；在螺栓连接处施加预紧力；在加载轴端面施加一径向力，形成弯矩。
对于螺母座刚度试验，采用紧固力矩法对任意—个螺母用力矩扳手施加紧固力矩为30N.m→100N.m→oN·m→30N.m历程时，轴向位移不能大于0.3mm。在前处理过程中，由于螺母螺栓材料特殊，在受力时是基本不会产生变形的，所以我们利用节点自由度耦合来处理螺母。在轮辐下表面与法兰盘接触区域，设置接触对与摩擦来接近真实工作情况。根据实际试验的边界和载荷条件，对1/4车轮有限元模型的截面施加对称约束，轮辐安装面端与法兰接触区域施加轴向的单向约束。将紧固力矩转换为轴向力施加在螺母端面，载荷历程采用斜坡和阶梯交替的八个载荷步来实现，有利于计算顺利收敛。
3 有限元计算结果分析
应用ANSYS软件对弯曲疲劳试验模型进行分析求解，得到图5所示的整体模型在弯曲作用下的应力大小及分布情况。由于实际试验是动态旋转的，将车轮模型以一定角度进行旋转，并重新加载、求解。这样便可以知道在动态旋转过程中，不同时刻、不同载荷方向时钢圈最大应力位置。
通过仿真计算可知，车轮的最大应力为：or max=208MPa。根据材料学知识可知，出现最大应力的位置即为最容易产生裂纹的位置，通过对仿真分析结果和试验结果进行分析对比可以发现，仿真分析结果和试验结果基本吻合，说明仿真分析结果是合理的。
由于车轮是在等幅载荷作用下进行试验的，因而可采用名义应力法对车轮疲劳寿命进行预测。通过名义应力法分析计算，得到车轮寿命为7.9万次。
图6为与仿真分析时具有相同车轮型号、结构尺寸及相同加载条件下所得到的车轮动态弯曲疲劳寿命统计图。从图6中可以看出，试验所得车轮钢圈寿命在6.5万次左右，与仿真分析所得到的疲劳寿命基本吻合。说明仿真分析结果是合理的。
图6 车轮动态弯曲疲劳寿命
对螺母座刚度试验模型进行分析求解，得到螺母座各个时段位移的FEA结果，螺母座的永久变形量(即轴向位移)为0.095 mm≤0.3mm，满足螺母座刚度试验要求。实际试验变形为0.1mm，在误差范围内可接受。
4 结论
(1)动态弯曲疲劳试验建立的车轮有限元仿真模型，完全按照实物建模，没有简化近似处理。用旋转加载近似模拟车轮弯曲疲劳实验台架的工作情况，影响因素考虑比较全面。仿真的危险点位置与试验裂纹出现区域一致，说明用仿真分析方法确定疲劳裂纹易发区域是有效的。
(2)通过螺母座位移FEA与实际试验结果相对比，两者的误差在一定的系数范围内，具有一定指导意义。对螺母座刚度的分析，得出螺母座的参数结构是可行的，能保证刚度要求。
(3)从ANSYS后处理模块中可以直观地看到车轮受力后的变形、位移和应力分布，因此可以快速准确地得到整个车轮的基本力学特性；本文的研究工作为其它车轮的强度分析及寿命预测具有一定的参考价值。
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(8/11/2008) |
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