铁路重载货车车轮辐板热机疲劳强度评价方法

摘要

根据中国铁路运营特点和实际需要，在货物运输方面将以发展重载运输作为主攻方向。提高轴重是重载列车降低运行成本、增加运能的最有效的措施，是今后我国铁路重载运输的主要模式。随着铁路货车轴重的提升，车轮踏面制动热负荷和轮轨作用机械载荷均将增大，导致车轮的热机疲劳损伤加剧，危及行车安全。
　　迄今为止，对货车车轮的疲劳设计评价是采用轮轨作用机械载荷得出辐板疲劳应力后，用疲劳极限加以评估的无限寿命方法。然而，如我国大量的840D车轮辐板(孔)疲劳裂损实例表明，车轮踏面制动热负荷所产生的热应力与机械应力的叠加是导致疲劳失效的原因。因此，对踏面制动货车车轮而言，应考虑制动热负荷和轮轨作用机械载荷以及它们的共同作用，采用有限寿命方法进行疲劳设计评价。
　　基于上述背景，本论文以铁路重载货车车轮为主要研究对象，研究了车轮辐板热机疲劳强度评价方法。主要研究工作包括：
　　1.对不同国家车轮用钢标准进行调查统计，分析车轮用钢的力学性能以及轴重对性能的要求，研究分析含碳量和含硅量对车轮用钢疲劳性能的影响，分析铁路重载货车车轮用钢选择方法。
　　2.采用模拟空气制动较为成熟的牵引电算软件，仿真得出HXD2型电力机车单机牵引万吨重载列车在大秦线上运行的列车制动力或制动功率时间历程，这为车轮辐板的热应力计算提供了准确的制动热负荷依据。
　　3.基于UIC510-5标准，确定重载货车车轮轮轨机械载荷工况，考虑轮轴过盈配合以及踏面的磨耗情况，采用有限元方法数值模拟车轮辐板机械应力及其分布状态。
　　4.基于车轮热处理工艺的目的和过程，建立不同轮辋厚度和不同轴重车轮的热处理工艺有限元仿真模型，分析由于热处理产生的车轮辐板残余应力形成机制和分布状态。
　　5.以牵引电算确定的大秦线路全程制动功率时间历程作为输入，综合考虑车轮踏面磨耗、轮轴过盈配合、热处理后的残余应力等，采用弹塑性有限元方法，对车轮的温度场、热应力场和应力应变响应关系进行数值模拟，分析制动后残余应力在车轮中重新分配状况以及后续制动中的残余应力变化，为车轮辐板疲劳累积损伤评价和寿命预测提供应力条件。
　　6.基于车轮轮轨机械应力、制动热应力及残余应力分析结果，得出用于车轮辐板疲劳分析的可能应力组合工况，采用名义应力法，建立车轮辐板热机疲劳寿命预测模型，分析在不同轮辋厚度和疲劳强度降低系数下辐板的疲劳累积损伤，结合车轮的磨耗规律，预测辐板的抗疲劳薄弱部位和疲劳寿命。
　　论文对影响重载货车车轮疲劳强度的内在因素(热处理残余应力，疲劳强度减低系数)和外部因素(轮轴过盈配合，踏面磨耗，轮轨机械载荷和制动热负荷)进行了系统深入的研究，提出货车车轮辐板热机疲劳强度评价方法，丰富了货车车轮疲劳评价理论，具有重要的理论和实践意义。