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車輪作為輪軌車輛的關(guān)鍵部件之一，其疲勞可靠性關(guān)系到列車安全行駛。由于軌道不平順和機(jī)車車輛曲線、道岔通過等各種復(fù)雜運(yùn)行工況，車輪受到輪軌隨機(jī)載荷作用；另外作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)部件，車輪各部位同時(shí)受到周期性載荷作用。車輪受到疲勞載荷作用而導(dǎo)致材料疲勞損傷和破壞，需要對(duì)車輪進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。隨著鐵道車輛的高速與重載化，對(duì)車輪的使用要求也越高。因此，在車輪的設(shè)計(jì)中，對(duì)其疲勞強(qiáng)度的評(píng)定非常重要。
目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)車輪的疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法進(jìn)行了探討，但主要是將車輪簡化為軸對(duì)稱模型，將三向應(yīng)力狀態(tài)等效為單向應(yīng)力狀態(tài)，基于單軸疲勞理論對(duì)車輪材料的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。然而，車輪（特別是非軸對(duì)稱車輪）在運(yùn)行過程中，受力十分復(fù)雜，各點(diǎn)均承受多軸、非比例、非同相載荷。因此，分析此類問題的疲勞強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)采用復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的多軸疲勞強(qiáng)度理論。本文分別采用基于單軸疲勞理論的車輪疲勞強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則和Dang-Van多軸高周疲勞評(píng)定準(zhǔn)則2種方法，對(duì)同一車輪進(jìn)行疲勞強(qiáng)度有限元分析，比較2種方法的安全度和適用范圍。
根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟試驗(yàn)研究中心的研究報(bào)告及相關(guān)文獻(xiàn)指出，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋的方向與最大主應(yīng)力方向相互垂直。因此，假定車輪的疲勞破壞形式是由最大主應(yīng)力方向的應(yīng)力造成。參照國際鐵路聯(lián)盟組織的UIC510-5和歐洲聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的BS EN 13979-1-2003標(biāo)準(zhǔn)，將三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為單向應(yīng)力狀態(tài)。首先確定車輪在不同載荷工況下的主應(yīng)力值和方向，將所有載荷工況作用下的最大主應(yīng)力方向確定為基本應(yīng)力分布方向，這個(gè)最大主應(yīng)力即為max；其次計(jì)算其與車輪坐標(biāo)軸線的夾角；最后把所有其他載荷DOI:10.13890/j.issn.1000-128x.2012.04.008-24-機(jī)車電傳動(dòng)2012年工況作用下的主應(yīng)力投影到基本應(yīng)力方向上，其投影值最小的即為m i n，如圖所示。由式（可以求出每一個(gè)點(diǎn)相應(yīng)的平均應(yīng)力值m和應(yīng)力幅值a以及動(dòng)應(yīng)力值Δ。在對(duì)車輪疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定時(shí)，要求已加工車輪輻板的動(dòng)應(yīng)力Δ<360 MPa，未加工車輪輻板的動(dòng)應(yīng)力Δ<290 MPa。同時(shí)，將應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值用車輪材料的修正Goodman曲線進(jìn)行評(píng)定。
由于帶輻板孔的車輪為非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行過程中各點(diǎn)受力復(fù)雜，因此，應(yīng)當(dāng)采用復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的多軸疲勞準(zhǔn)則對(duì)車輪危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行判定。文獻(xiàn)運(yùn)用Crossland準(zhǔn)則對(duì)輻板孔疲勞進(jìn)行了評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)運(yùn)用Sines準(zhǔn)則和von Mises準(zhǔn)則對(duì)車輪強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比。目前，多軸加載下的疲勞極限準(zhǔn)則主要有3種理論：①認(rèn)為多軸疲勞極限與平均靜水應(yīng)力H，m有關(guān)的Sines準(zhǔn)則；②用靜水應(yīng)力最大值H，m a x為參量的Crossland準(zhǔn)則；③同時(shí)考慮靜水應(yīng)力與最大剪切應(yīng)力幅值的Dang-Van準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則介于Sines和Crossland兩者之間。
Dang-Van研究認(rèn)為金屬晶粒對(duì)外載荷的響應(yīng)是一種彈性調(diào)整，因此提出了基于細(xì)觀（介于宏觀和微觀之間）尺度上的多軸疲勞準(zhǔn)則。為了定義幅值參量，Dang-Van考慮了在循環(huán)中承受最大剪切應(yīng)力幅平面的特性。根據(jù)細(xì)觀尺度上的Lin-Taylor均勻化假設(shè)和彈性Shakedown原理，將靜水應(yīng)力H和剪切應(yīng)力幅a線性組合起來。
以某動(dòng)車車輪（導(dǎo)向輪對(duì)）為例，該車輪為整體式輾鋼車輪，帶有2個(gè)相同的吊裝工藝孔，模型為踏面全磨耗狀態(tài)。取車軸一半，約束其截面，利用ANSYS建立三維有限元模型，如圖。輪軸間采用面面接觸單元，過盈量為0.277 mm。
車輛在直線上運(yùn)行和通過曲線、岔道時(shí)，主要承受縱向力和橫向力，這些力大小和作用位置不確定，在有限元計(jì)算中，需要把這些載荷用有限數(shù)量的載荷工況代替。參照UIC510-5，對(duì)車輪輻板疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析，載荷位置如圖所示。按照直線、曲線、道岔3種工況，計(jì)算各工況的載荷值。
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