自从铁路第六次大提速以来,陆续开行的200km/h及以上动车组装用的全都是空心车轴和高速客车车轮,而我国在空心车轴和高速客车车轮的研发、制造和检测维修方面起步较晚。
随着动车技术和有限元技术的发展,有限元法在轮对中的应用日趋普遍。国外早在上世纪三十年代就已开始使用三维建模和有限元分析发,而我国则是从上世纪80年代开始使用三维建模和有限元分析法的。在国内,动车组的车轮主要参考《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及实验鉴定暂行规定》;动车组的车轴采用TB/T 2705-1996《车轴设计与强度计算方法》。在国外,动车组的车轮主要采用EN 13262《铁路应用-轮对和转向架-车轮-产品要求》[1]、JIS E 5402《铁道车辆整体车轮品质要求》[2]、UIC510-5《整体车轮技术检测》[3];动车组的车轴主要采用ISO 1005-9《动车和拖车用车轴尺寸要求》[4]、EN 13261《铁路应用-轮对和转向架-车轴-产品要求》[5] 、JIS E 4501《铁路车辆-轴的强度设计方法》[6]、JIS E 4502《铁道车辆用车轴品质要求》[7]、EN 13104《铁道车辆应用-动力车轴设计方法》[8]。
1、轮对的国内研究现状和水平
田合强[9]以某动车组轮对为研究对象采用EN l3104标准对车轴进行了疲劳强度校核,并采用有限元方法进行了验证;还针对某出口转向架轮对分析了过盈量及热载荷的影响;并用Goodman疲劳极限图对轮对疲劳强度评定,并计算出了轮对的疲劳强度安全裕量和安全系数。
黄彪[10]采用了欧洲标准和日本标准,对CRH2型动车组、CRH3型动车组以及CRH5型动车组轮对的疲劳强度进行了有限元分析,并自己设计出了一款新的轮对疲劳试验台。
李树林等[11]依据国内外相关执行标准对现运行CRH3型动车组车轮进行疲劳强度的评定,他在Miner法则的基础上研究了车轮疲劳寿命的预测图。
2、轮对的国外研究现状和水平
平川贤尔等[12]采用运动断裂力学方法来评定轮对的强度,将应力强度因子大于材料的断裂韧性值作为轮对发生脆性断裂和疲劳裂纹的开始扩展的条件。并针对不同区域提出提高轮对强度的方法。
日本的Taizo Makino等[13]分别采用日本标准和欧洲标准对日本新干线车轴进行分析,并进行对比。得出日本标准在车辆速度高于180 km/h时较欧洲标准更保守,在低于这个速度时欧洲标准较日本标准保守。Kenji Hirakawa等[13]对车轴疲劳强度设计方法进行的详细地阐述。
美国的Brant Stratman等[14]针对铁路车轮提出了一种高周疲劳寿命预测方法,并将疲劳累计损伤理论应用于轮轨接触疲劳问题中。并且建立了一个三维弹塑性有限元模型,为了能满足计算速度和精度,在轮对接触的地方采用子结构技术。通过加载轮对旋转一周的载荷时间历程计算了车轮的损伤。还计算得出了车轮直径、垂向载荷和材料硬度等对车轮寿命的影响。
3、发展趋势
通过上节的对轮对国内外研究的现状和水平的了解,我国在轮对有限元的研究上自己的标准还比较少,主要是沿用了国际的标准和理论方法。
自从铁路第六次大提速以来,陆续开行的200km/h及以上动车组装用的全都是空心车轴和高速客车车轮,而我国在空心车轴和高速客车车轮的研发、制造和检测维修方面起步较晚,如果要加快中国标准的动车组的全面国产化,势必会在空心车轴和高速客车车轮的设计、制造和探伤检测方面加大科技投入,那么势必会大量运用到有限元分析。