本发明涉及火车车轮技术领域，尤其涉及一种车轮优化设计方法及车轮。
背景技术：
铁路车辆在构成铁路线的轨道上行驶。铁路车辆具备多个铁路车轮。铁路车轮支撑车辆，与轨道接触，边旋转边在轨道上移动。铁路车轮因与轨道接触而磨损。为了满足铁路车辆的正常运行，车轮需具备较高的强度和疲劳强度，才能保证使用安全性。
技术实现要素：
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种车轮优化设计方法及车轮。具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种车轮优化设计方法，所述方法包括：
s1，设计车轮初始轮型方案；
s2，采用有限元分析对车轮轮型进行静强度和疲劳强度校核，并根据校核结果对车轮轮型进行优化；
s3，试制样轮，对样轮进行热机械性能测试和疲劳测试；
s4，若均满足需求，轮型设计完成；若有任一项不满足需求，返回s1对车轮轮型进行改进，重复步骤s2和s3直至各项测试均满足需求。
在一种可能的设计中，车轮有限元模型建立在车轮磨耗到限的基础上，并采用1/2对称结构，solid45实体单元划网；轮轴接触选用conta174和targe170单元；车轮模型施加对称约束，车轴施加全约束。
在一种可能的设计中，车轮静强度校核时，分别在直线工况、曲线工况、道岔工况、直线制动工况和曲线制动工况下对车轮施加相应的载荷边界条件，分别计算各工况下最大vonmises应力。
在一种可能的设计中，车轮疲劳强度校核时，分别在机械载荷工况、直线制动工况和曲线制动工况下对车轮施加相应的载荷边界条件，分别计算各工况下车轮转动过程中车轮应力的变化量。
在一种可能的设计中，所述方法还包括：对样轮进行解剖取样、测试样品的理化性能，理化性能包括：轮辋屈服强度、轮辋抗拉强度、轮辋延伸率、辐板抗拉强度、辐板延伸率、ku2冲击功平均值、kv2冲击功平均值、断面硬度。
在一种可能的设计中，车轮热机械性能测试中，测试前以不超过1.2倍pa/2的制动功率对制动蹄片进行磨合，直到车轮与制动蹄片的接触面至少达到整个制动蹄片表面积的80％为止，各制动周期开始时，轮辋温度应不高于50℃。
在一种可能的设计中，车轮疲劳测试时，车轮疲劳危险位置处分别在车轮内外侧依次粘贴2组应变片，通过静态加载找到实际应力最大的位置，并在该位置轴向旋转90°的对应处粘贴三向应变花以测量真实应力，最后根据测得的载荷-应力关系确定动态载荷的幅值及频率，并按此循环加载1000万次，自动结束后进行磁粉探伤，若表面若存在长度≥1mm的裂纹，则认为疲劳失效，否则为合格。
在一种可能的设计中，车轮疲劳测试包括随机疲劳测试和单一阶段疲劳测试。
第二方面，提供了一种利用上述任一项所述的车轮优化设计方法设计出的车轮。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的车轮优化设计方法及车轮，通过对车轮轮型进行有限元分析、制作样轮进行实物性能测试，既能减少人力物力消耗，又能够获取满足使用需求的样轮。设计出的车轮能够达到预期要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例提供的车轮优化设计方法设计出的车轮。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
第一方面，本发明实施例提供了一种车轮优化设计方法，该方法包括：
s1，设计车轮初始轮型方案。
s2，采用有限元分析对车轮轮型进行静强度和疲劳强度校核，并根据校核结果对车轮轮型进行优化。如此设置，先通过软件模拟方式对车轮轮型进行改进，获取初步满足要求的车轮轮型。避免直接制作样轮实物测试导致的人力物力损失，节约资源，降低劳动强度。
s3，试制样轮，对样轮进行热机械性能测试和疲劳测试。通过该步骤对模拟合格的轮型进行实物测试，测试是否满足需求。
s4，若均满足需求，轮型设计完成；若有任一项不满足需求，返回s1对车轮轮型进行改进，重复步骤s2和s3直至各项测试均满足需求。
可见，本发明实施例提供的车轮优化设计方法，通过对车轮轮型进行有限元分析、制作样轮进行实物性能测试，既能减少人力物力消耗，又能够获取满足使用需求的样轮。设计出的车轮能够达到预期要求。
在有限元分析过程中，根据以往理论计算及实际经验，车轮磨耗到限状态比新造状态更危险，因此车轮有限元模型建立在车轮磨耗到限的基础上，并采用1/2对称结构，solid45实体单元划网；轮轴接触选用conta174和targe170单元。车轮模型施加对称约束，车轴施加全约束。其中车轮静强度分析采用vonmises屈服准则进行评定，即某一点应变状态的等效应力超过屈服极限时即发生屈服。车轮疲劳强度校核采用名义主应力法进行评定，基本原理如下：计算在各载荷工况下车轮转动过程中车轮应力的变化量，辐板上各点的应力变化量应小于应力变化量的许用值
具体地，车轮静强度校核时，分别在直线工况、曲线工况、道岔工况、直线制动工况和曲线制动工况下对车轮施加相应的载荷边界条件，分别计算各工况下最大vonmises应力。
具体地，车轮疲劳强度校核时，分别在机械载荷工况、直线制动工况和曲线制动工况下对车轮施加相应的载荷边界条件，分别计算各工况下车轮转动过程中车轮应力的变化量。
可选地，本发明实施例提供的车轮优化设计方法还包括：对样轮进行解剖取样、测试样品的理化性能，理化性能包括：轮辋屈服强度、轮辋抗拉强度、轮辋延伸率、辐板抗拉强度、辐板延伸率、ku2冲击功平均值、kv2冲击功平均值、断面硬度。
可选地，车轮热机械性能测试中，测试前以不超过1.2倍pa/2的制动功率对制动蹄片进行磨合，直到车轮与制动蹄片的接触面至少达到整个制动蹄片表面积的80％为止，各制动周期开始时，轮辋温度(外表面轮辋中等厚度处测得)应不高于50℃。制动蹄片磨损一半或经过5个制动周期后，应进行更换；更换的新蹄片应先按照上述要求进行磨合。
可选地，车轮疲劳测试时，车轮疲劳危险位置处分别在车轮内外侧依次粘贴2组应变片，通过静态加载找到实际应力最大的位置，并在该位置轴向旋转90°的对应处粘贴三向应变花以测量真实应力，最后根据测得的载荷-应力关系确定动态载荷的幅值及频率，并按此循环加载1000万次，自动结束后进行磁粉探伤，若表面若存在长度≥1mm的裂纹，则认为疲劳失效，否则为合格。
为了对车轮进行疲劳状况进行全方位掌握，车轮疲劳测试包括随机疲劳测试和单一阶段疲劳测试。
第二方面，本发明实施例还提供力一种利用上述任一项的车轮优化设计方法设计出的车轮。
以下结合具体实施例对本发明实施例提供的车轮优化设计方法进行详细阐述：
首先，设计要求为：该车轮设计应满足其货车各类型转向架接口通用的要求，且不能与转向架发生干涉；同时为了减轻簧下重量，要求尽可能降低车轮质量。
在客户提供既有车辆车轮外形的基础上，设计出车轮初始轮型方案后，依据标准en13979对初始方案分别采用vonmises屈服准则及名义主应力法进行了静强度及疲劳强度的有限元分析。其中车轮静强度分析有五个工况：直线工况、曲线工况、道岔工况、直线制动工况、曲线制动工况，按照标准要求对车轮在不同的工况下施加相应的载荷边界条件，分别计算其最大vonmises应力。车轮疲劳强度分析有三个应力循环工况：机械载荷工况、直线制动工况、曲线制动工况，按照标准要求对车轮在不同的工况下施加相应的载荷边界条件，分别计算其在各载荷工况下车轮转动过程中车轮应力的变化量，即应力循环范围。
基于车轮初始设计方案的有限元分析结果，经过对车轮辐板形状进行两次设计优化，得到了最终的设计方案。相较于初始方案，最终方案的五个静强度计算工况的vonmises应力分别从321mpa、356mpa、330mpa、334mpa、360mpa降低至244mpa、264mpa、305mpa、318mpa、354mpa，且辐板应力分布接近理想状态，同时疲劳强度分析的三个应力循环工况下的最大主应力循环范围分别为173mpa、175mpa、169mpa，符合标准en13979的要求。
基于最终设计方案，试制样轮以进行理化性能及物理机械性能测试。在理化性能测试中，通过解剖取样分别测试了轮辋屈服强度、轮辋抗拉强度、轮辋延伸率、辐板抗拉强度、辐板延伸率、ku2冲击功平均值、kv2冲击功平均值、断面硬度等项目，检测结果均符合标准要求。
随后对样轮进行了热机械性能测试和疲劳试验台测试。依据en13979规定，车轮第一阶段应进行制动实验台测试(brakingbenchtest)即热机械性能测试。制动实验台测试由10次车轮阻力制动组成，分别测量每次制动对车轮轮辋残余应力的变化情况、制动过程中轮辋的最大横向位移以及冷却后轮辋残余横向位移的影响。测试结果表明新造和磨耗到限的车轮在制动过程中轮辋的最大横向位移均在 3/-1mm范围内，制动冷却后轮辋的最大横向位移均在 1.5/-0.5mm范围内，测试结果符合要求；同时新造车轮每次制动冷却后的轮辋残余应力水平均小于250mpa，平均值小于200mpa；磨耗到限车轮每次制动冷却后的轮辋残余应力水平均小于300mpa，平均值都小于275mpa，测试结果符合要求。依据en13979，车轮第二阶段应进行疲劳实验台测试(fatiguebenchtest)，测试共有两种方法，第一种是随机疲劳测试，第二种是单一阶段疲劳测试。两种测试都是首先通过静态加载找到应力最大位置，并在该位置通过三向应变花测量真实应力，最后依据测量的载荷-应力关系确定动态载荷幅值及频率，并按此循环加载1000万次，自动结束后对车轮进行磁粉探伤，若表面若存在长度≥1mm的裂纹，则认为疲劳失效，否则为合格。测试结束后通过磁探检测车轮表面没有发现疲劳裂纹，表明样轮疲劳实验性能符合要求。
最终设计方案及各尺寸参数如附图1所示。该车轮滚动圆直径为920mm，轮辋宽度为135mm，轮毂长度为185mm，轮毂孔直径为205mm，内侧辋毂距为23mm，车轮踏面型式为en13715s1002/h28/e32.5/6.7％；轮毂直径为250mm，外侧轮毂倾角为15°，内外侧轮毂与辐板过渡圆弧分别为r40与r30，轮辋直径为810mm，内外侧轮辋倾角为15°，且与辐板过渡圆弧分别为r50与r45；轮辋直径辐板为等截面s形，厚度为21mm；内外侧轮毂及内侧轮辋倒角为r5。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种车轮优化设计方法，其特征在于，所述方法包括：
s1，设计车轮初始轮型方案；
s2，采用有限元分析对车轮轮型进行静强度和疲劳强度校核，并根据校核结果对车轮轮型进行优化；
s3，试制样轮，对样轮进行热机械性能测试和疲劳测试；
s4，若均满足需求，轮型设计完成；若有任一项不满足需求，返回s1对车轮轮型进行改进，重复步骤s2和s3直至各项测试均满足需求。
2.根据权利要求1所述的车轮优化设计方法，其特征在于，车轮有限元模型建立在车轮磨耗到限的基础上，并采用1/2对称结构，solid45实体单元划网；轮轴接触选用conta174和targe170单元；车轮模型施加对称约束，车轴施加全约束。
3.根据权利要求2所述的车轮优化设计方法，其特征在于，车轮静强度校核时，分别在直线工况、曲线工况、道岔工况、直线制动工况和曲线制动工况下对车轮施加相应的载荷边界条件，分别计算各工况下最大vonmises应力。
4.根据权利要求2所述的车轮优化设计方法，其特征在于，车轮疲劳强度校核时，分别在机械载荷工况、直线制动工况和曲线制动工况下对车轮施加相应的载荷边界条件，分别计算各工况下车轮转动过程中车轮应力的变化量。
5.根据权利要求1所述的车轮优化设计方法，其特征在于，所述方法还包括：对样轮进行解剖取样、测试样品的理化性能，理化性能包括：轮辋屈服强度、轮辋抗拉强度、轮辋延伸率、辐板抗拉强度、辐板延伸率、ku2冲击功平均值、kv2冲击功平均值、断面硬度。
6.根据权利要求1所述的车轮优化设计方法，其特征在于，车轮热机械性能测试中，测试前以不超过1.2倍pa/2的制动功率对制动蹄片进行磨合，直到车轮与制动蹄片的接触面至少达到整个制动蹄片表面积的80％为止，各制动周期开始时，轮辋温度应不高于50℃。
7.根据权利要求1所述的车轮优化设计方法，其特征在于，车轮疲劳测试时，车轮疲劳危险位置处分别在车轮内外侧依次粘贴2组应变片，通过静态加载找到实际应力最大的位置，并在该位置轴向旋转90°的对应处粘贴三向应变花以测量真实应力，最后根据测得的载荷-应力关系确定动态载荷的幅值及频率，并按此循环加载1000万次，自动结束后进行磁粉探伤，若表面若存在长度≥1mm的裂纹，则认为疲劳失效，否则为合格。
8.根据权利要求1或7所述的车轮优化设计方法，其特征在于，车轮疲劳测试包括随机疲劳测试和单一阶段疲劳测试。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的车轮优化设计方法设计出的车轮。
10.根据权利要求9所述的车轮，其特征在于，车轮滚动圆直径为920mm，轮辋宽度为135mm，轮毂长度为185mm，轮毂孔直径为205mm，内侧辋毂距为23mm，车轮踏面型式为en13715s1002/h28/e32.5/6.7％；轮毂直径为250mm，外侧轮毂倾角为15°，内外侧轮毂与辐板过渡圆弧分别为r40与r30，轮辋直径为810mm，内外侧轮辋倾角为15°，且与辐板过渡圆弧分别为r50与r45；轮辋直径辐板为等截面s形，厚度为21mm；内外侧轮毂及内侧轮辋倒角为r5。
技术总结