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基于AAR标准的某型机车车轮强度评估
摘?要：按照AARS-669和AARS-660标准对对某型出口机车新设计车轮进行了机械负荷、热负荷、热处理、过盈配合作用下的有限元分析，并按标准要求进行了强度评估，验证了车轮结构设计及热处理载荷参数合理可行，车轮可满足机车运用要求。
关键词：AAR；车轮；强度；
1前言
本文按照AARS-669及AARS-660标准的规定，采用有限元分析的方法对某型出口机车的整体车轮分别进行机械负荷、踏面制动热负荷、热处理残余应力、过盈配合计算分析，并按标准要求静强度评估、组合各工况对车轮辐板疲劳强度进行评估。
2计算载荷与参数
根据AARS-660标准确定用于机械负荷计算的垂直载荷V1、V2、横向载荷L1及热载荷Th的大小及施加位置，以及热载荷作用下的应力计算所需的初始温度、密度、比热、导热系数、对流系数、弹性模量、泊松比、热膨胀系数等参数。
用于热处理模拟计算所需的材料特性参数根据AARS-669确定，主要有密度、车轮和空气之间的对流系数、车轮和水之间的对流系数、Stefan-Boltzmann常数、辐射率、角系数等常量，以及与温度相关的比热、热传导率、弹性模量、硬化模量和屈服强度、泊松比、热膨胀系数。
车轮热处理残余应力的有限元计算先使用热单元计算车轮从离开奥氏体化炉到淬火、回火间隔、回火、空冷的热处理过程中的温度里程，然后将温度加到结构单元计算得到残余应力。可以说热处理工艺参数是残余应力计算的载荷,用于本计算的车轮热处理工艺参数见表1。
表1车轮热处理工艺参数
序号
热处理阶段
时间（s）
车轮温度（℃）
环境温度（℃）
1
淬火开始
0
874
24
2
淬火结束
240
/
24
3
回火间隔结束
1440
/
24
4
回火开始
1441
/
490
5
回火结束
17640
490
490
6
空冷开始
17641
490
24
7
空冷结束
40000
24-27
24
用于过盈配合计算过盈量根据车轮毂孔与车轴轮座的配合关系确定，取最大有效过盈量。
3计算模型与边界条件
计算模型包括车轮及包含轮座的一段空心车轴，如图1所示。由于车轮车轴为对称结构，因此计算模型仅取一半,对称面施加对称约束，计算载荷相应减半。
图1车轮计算有限元模型
机械载荷与踏面制动热负荷计算时车轮与车轴之间绑定，无过盈量，车轴空心孔表面施加固定约束；热处理计算时的模型仅包含车轮；过盈计算时在车轮毂孔与车轴轮座之间创建接触单元，施加最大有效过盈量，车轴空心孔表面施加固定约束。
有限元网格采用20节点六面体单元，计算时有限元软件根据需要转换单元类型。根据计算内容及新轮与磨耗到限车轮的不同，采用生死单元法抑制不需要的单元，保证车轮辐板上的单元和节点一致。
踏面制动热载荷的仿真采用瞬态热分析模块计算车轮的温度场，将温度载荷导入到静力学分析模块中计算车轮应力。
热处理残余应力计算考虑蠕变的影响，蠕变速率按以下公式：
式中：
——蠕变速率（1/K），——vonMises等效应力（N/m2），——温度（）
在AnsysWorkbench中采用Norton模型来应用蠕变速率。
热处理计算中，在车轮踏面区域施加车轮与水之间的热对流，车轮所有表面（对称面除外）施加与空气之间的对流及热辐射。计算步长及温度按表1所列工艺参数设定。将热处理计算得到的随时间变化的温度导入到结构单元中计算车轮热处理的应力变化。
4载荷工况
根据AARS-669和AARS-660确定的载荷工况见表2。表中N代表新轮状态，W表示磨耗到限状态。对新轮模型进行热处理残余应力进行计算，辐板疲劳强度评估时磨耗到限车轮的热处理残余应力取相同位置的新轮热处理残余应力。
表2车轮强度评定载荷工况
工况
1
2
3
4
5
6
7
载荷条件
V1+L1
V2
Th
V2+Th
V1+L1+Th
热处理
过盈配合
车轮状态
N,W
N,W
N,W
N,W
N,W
N,Wa
N,W
5强度评定方法
按AARS-660，对工况1与工况2下的车轮辐板、工况3-工况5下的车轮辐板和轮辋进行强度静强度评估，等效应力不应超过车轮材料屈服强度。
根据根据AARS-669，按照Sines准则对表3所列A、B、C、D四种载荷组合情况下车轮辐板进行疲劳分析，计算Sines参数(SP)：，再按AARS-669规定的方法确定安全系数，SP应小于0且安全系数大于1。
表3车轮疲劳强度评定载荷组合
载荷组合
A
1-N
1-N
6-N
7-N
B
2-N
2-N
6-N
7-N
C
1-W
1-W
6-W
8-W
D
2-W
2-W
6-W
8-W
6强度评定结果
按AARS-660对车轮进行静强度评估，轮辋和（或）辐板处的最大等效应力见表4。
表4AARS-
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