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摘 要:本文对HXD3B型大功率机车车轮(以下简称HXD3B型车轮)进行有限元分析,并给出了疲劳强度评定结果;提出了改进建议。
关键词:机车 疲劳 有限元
中图分类号:U264 文献标识码:A 文章编号:1674-098x(2011)04(a)-0113-02
近年来,我国铁路货车正快速地向着重载的方向发展,大功率机车在这方面的重要性日益凸显。车轮作为大功率机车的一个重要部件,支撑着火车的全部重量,传递着牵引力,因此车轮的强度对火车的安全性、稳定性和牵引性有着重要的重要。
1 HXD3B型车轮分析
1.1 HXD3B型车轮结构
目前,大功率机车车轮共有7种轮型,辐板采用了4种形式,详见图1。辐板形状对车轮的结构强度和刚度有较大的影响。较小的径向刚度可使车轮具有较大的弹性,可以改善制动热负荷作用下车轮的应力状态和降低轮轨动作用力;较大的轴向刚度,可减少车轮的轴向变形,改善车辆运行性能,减少爬轨的可能性。HXD3B型车轮采用辐板形状,上部安装制动盘,下部分工艺孔用于轮轴反压检验,反压检验时,即通过辐板上的3个工艺孔向外拉车轮来实现的。
1.2 计算数据和载荷
①计算数据。HXD3B型车轮尺寸按现加工图纸,有限元分析时取全磨耗车轮直径1150mm;轴重25t;过盈量0.258mm。
②计算载荷。工况按直线工况、曲线工况和道岔工况3种工况来进行疲劳强度校核,各工况所受载荷如下:
工况1:直线(轮对对中);
工况2:曲线(轮缘靠钢轨),
工况3:道岔和道口(轮缘内侧面接触钢轨)
其中:P为轮载荷,各力在同一断面的作用位置见:图1。有限元分析时在车轮n个断面上施加图2所示的3个机械载荷工况,构成3n个载荷步。
1.3 疲劳强度校核方法
1.3.1 非孔边疲劳强度校核方法
对于非孔边辐板上每个考察点:
1)动应力变化量
其中:—若i=j,为考察节点在3n个载荷步下最大的;若i≠j,为考察节点在最大的所在的工况(n个载荷步)下最大的; —考察节点在3n个载荷步下的应力张量分别向方向投影,投影的最小值。本文计算利用了车轮结构的循环对称性。
2)基于Haigh曲线的疲劳安全系数
;
—最大应力与最小应力的平均值;—最大应力与最小应力构成的应力幅值。
将(:)插入Haigh曲线中,得到考察点的安全系数、、和。Haigh曲线见图3。
其中:弹性极限;辐板许用应力幅值。
1.3.2 孔边疲劳强度的Crossland准则
对于车轮辐板孔的疲劳验证采用Crossland准则来考虑孔表面的多轴应力状态。
其中:
安全系数:
取决于外界载荷
旋转弯曲疲劳极限;脉动疲劳极限。
1.4 有限元模型
车轮按磨耗到限尺寸进行强度计算和分析。对实体模型划分网格,形成有限元模型,轮轴选用SOLID45三维六面体单元进行网格划分;选用三维面到面接触单元CONTA174及目标单元TARGE170进行轮轴配合(过盈配合)部位的接触模拟,通过接触单元实常数设置过盈量。在轮对内侧车轴截面(即整根车轴的中央断面)上施加限制x、y、z移动的约束。
1.5 计算结果(见:表1)
方向应力图见:图5,对应Haigh曲线的安全系数见:图5。
孔边按crossland准则得出的安全系数见图6,图7。
2 结语
由上述分析结果可知,辐板在第1主应力方向上最大疲劳动应力变化量为360.04MPa,稍大于许用值360MPa;且Haigh曲线得到的安全系数也小于1。其它疲劳强度评定准则也可得出工艺孔处是辐板强度的薄弱处。可见工艺孔对车轮辐板的强度影响很大。因此,HXD3B型车轮应取消反压检验的工艺孔,这样可以提高车轮的强度,消除安全隐患。
参考文献
[1] 刘吉远,陈雷等.铁路货车轮轴技术概论.北京:中国铁道出版社,2009.
[2] 刘会英,张澎湃等.铁道车辆车轮强度设计方法探讨[J].铁道学报,2007(01).
[3] L.Reis B.Li etc.VALIDATION OF MULTIAXIAL FATIGUE MODELS FOR STRUCTURAL STELLS[J].Anales de Mecanica de la Franctura Vol.I,2006.
[4] EN 13979-1:2003“Railway application-Wheelsets and bogies-Monobloc wheels-Technical approval procedure Part 1:Forged and rolled wheels”
[5] UIC 510-5 OR “Technical approval of monobloc wheels-Application document for standard EN 13979-1” 2nd edition,May 2007.
[6] EN 13260:2009 “Railway application-Wheelsets and bogies-Wheelsets-Product requirement”the components of trailers bogies.
[7] BS 7608－1993.Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词:机车 疲劳 有限元
中图分类号:U264 文献标识码:A 文章编号:1674-098x(2011)04(a)-0113-02
近年来,我国铁路货车正快速地向着重载的方向发展,大功率机车在这方面的重要性日益凸显。车轮作为大功率机车的一个重要部件,支撑着火车的全部重量,传递着牵引力,因此车轮的强度对火车的安全性、稳定性和牵引性有着重要的重要。
1 HXD3B型车轮分析
1.1 HXD3B型车轮结构
目前,大功率机车车轮共有7种轮型,辐板采用了4种形式,详见图1。辐板形状对车轮的结构强度和刚度有较大的影响。较小的径向刚度可使车轮具有较大的弹性,可以改善制动热负荷作用下车轮的应力状态和降低轮轨动作用力;较大的轴向刚度,可减少车轮的轴向变形,改善车辆运行性能,减少爬轨的可能性。HXD3B型车轮采用辐板形状,上部安装制动盘,下部分工艺孔用于轮轴反压检验,反压检验时,即通过辐板上的3个工艺孔向外拉车轮来实现的。
1.2 计算数据和载荷
①计算数据。HXD3B型车轮尺寸按现加工图纸,有限元分析时取全磨耗车轮直径1150mm;轴重25t;过盈量0.258mm。
②计算载荷。工况按直线工况、曲线工况和道岔工况3种工况来进行疲劳强度校核,各工况所受载荷如下:
工况1:直线(轮对对中);
工况2:曲线(轮缘靠钢轨),
工况3:道岔和道口(轮缘内侧面接触钢轨)
其中:P为轮载荷,各力在同一断面的作用位置见:图1。有限元分析时在车轮n个断面上施加图2所示的3个机械载荷工况,构成3n个载荷步。
1.3 疲劳强度校核方法
1.3.1 非孔边疲劳强度校核方法
对于非孔边辐板上每个考察点:
1)动应力变化量
其中:—若i=j,为考察节点在3n个载荷步下最大的;若i≠j,为考察节点在最大的所在的工况(n个载荷步)下最大的; —考察节点在3n个载荷步下的应力张量分别向方向投影,投影的最小值。本文计算利用了车轮结构的循环对称性。
2)基于Haigh曲线的疲劳安全系数
;
—最大应力与最小应力的平均值;—最大应力与最小应力构成的应力幅值。
将(:)插入Haigh曲线中,得到考察点的安全系数、、和。Haigh曲线见图3。
其中:弹性极限;辐板许用应力幅值。
1.3.2 孔边疲劳强度的Crossland准则
对于车轮辐板孔的疲劳验证采用Crossland准则来考虑孔表面的多轴应力状态。
其中:
安全系数:
取决于外界载荷
旋转弯曲疲劳极限;脉动疲劳极限。
1.4 有限元模型
车轮按磨耗到限尺寸进行强度计算和分析。对实体模型划分网格,形成有限元模型,轮轴选用SOLID45三维六面体单元进行网格划分;选用三维面到面接触单元CONTA174及目标单元TARGE170进行轮轴配合(过盈配合)部位的接触模拟,通过接触单元实常数设置过盈量。在轮对内侧车轴截面(即整根车轴的中央断面)上施加限制x、y、z移动的约束。
1.5 计算结果(见:表1)
方向应力图见:图5,对应Haigh曲线的安全系数见:图5。
孔边按crossland准则得出的安全系数见图6,图7。
2 结语
由上述分析结果可知,辐板在第1主应力方向上最大疲劳动应力变化量为360.04MPa,稍大于许用值360MPa;且Haigh曲线得到的安全系数也小于1。其它疲劳强度评定准则也可得出工艺孔处是辐板强度的薄弱处。可见工艺孔对车轮辐板的强度影响很大。因此,HXD3B型车轮应取消反压检验的工艺孔,这样可以提高车轮的强度,消除安全隐患。
参考文献
[1] 刘吉远,陈雷等.铁路货车轮轴技术概论.北京:中国铁道出版社,2009.
[2] 刘会英,张澎湃等.铁道车辆车轮强度设计方法探讨[J].铁道学报,2007(01).
[3] L.Reis B.Li etc.VALIDATION OF MULTIAXIAL FATIGUE MODELS FOR STRUCTURAL STELLS[J].Anales de Mecanica de la Franctura Vol.I,2006.
[4] EN 13979-1:2003“Railway application-Wheelsets and bogies-Monobloc wheels-Technical approval procedure Part 1:Forged and rolled wheels”
[5] UIC 510-5 OR “Technical approval of monobloc wheels-Application document for standard EN 13979-1” 2nd edition,May 2007.
[6] EN 13260:2009 “Railway application-Wheelsets and bogies-Wheelsets-Product requirement”the components of trailers bogies.
[7] BS 7608－1993.Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文