车轮是铁道机车车辆承载部件中工作条件最恶劣的部件之一，车轮疲劳失效会带来灾难性的后果，为适应国民经济的发展，满足货运市场的需求，铁路货车快速化与重载化已成为当前货车发展的必然趋势。车轮故障已成为影响货车发展的重要因素，其中车轮辐板裂纹问题尤其突出。踏面制动是中国货车车辆最基本的制动方式。列车的制动过程实质上是将列车动能通过闸瓦和车轮踏面转换为摩擦热能的能量转换过程。随着列车速度和车辆质量的不断增加，必然导致车轮制动热负荷的增加，对车轮的疲劳寿命带来重大的影响。
      近年来，在国内外由于制动热负荷引起的车轮问题是铁路运输安全性和经济性的重大问题之一。特别对于货车车辆，虽然中国货车的轴重不算太大，平均运行速度较低，但其使用率较高。另一方面中国货车车辆与国外相比，更不利的运用条件是其制动工况的苛刻性，主要表现为制动距离短，制动装置落后和长大下坡道制动等问题，特别是今后在发展提速和重载货车条件下的制动热负荷问题必然会对车轮产生更大的影响。根据UIC510-5/2003《车轮技术条件》选取载荷工况，根据UIC510-5/2003附录部分用轴对称模型对车轮辐板进行疲劳分析，验证车轮的疲劳强度是否满足要求。
      本文建立具有轴对称结构的铁道机车车辆磨耗到限车轮三维有限元分析模型，由2659个节点和2439个单元组成。
      在用ANSYS有限元软件进行分析时，根据使用PLANE25号轴对称单元的要求，在整体坐标系的XOY平面上建立模型，x方向为轴对称模型的径向，y方向为轴对称模型的轴向，限制轴线(x=0处)上节点径向自由度为0，限制车轮轮毂上有过盈量的最外侧一个节点的y方向自由度为0，轮轴过盈配合与轮轴传热由约束方程来模拟。约束方程的形式为C=∑qi=1[k(i)U(i)]，式中：U(i)为x方向自由度，模拟轮轴传热时为温度；q为方程中项的编号；C为常数；k(i)为U(i)的系数。
      在非导向轮对的车轮强度计算中，根据UIC510-5/2003《车轮技术条件》，选取以下3种载荷工况。
      (1)直线运行紧急制动工况：垂直动载荷P1+过盈量Δ+车轮最高温度时对应的角速度+最高温度载荷。
      (2)曲线运行紧急制动工况：垂直动载荷P2+横向动载荷H2+过盈量Δ+车轮最高温度时对应的角速度+最高温度载荷。
      (3)道岔运行紧急制动工况：垂直动载荷P3+横向动载荷H3+过盈量Δ+车轮最高温度时对应的角速度+最高温度载荷。载荷关系为Pj=1.25P0H2=9.7P0H3=0.42P0(2)式中：P0为轮重。本文取Δ为0.28 mm。作用于轮轨作用点的机械载荷对车轮作用力的方向和位置。
      在计算车轮的应力分布时，为了准确模拟车轮的实际受力情况，用根据计算确定轮轨接触斑面积的方法计算车轮踏面与钢轨道间的相互接触面力。接触椭圆的纵向和横向半轴a、b分别为a=m[3πN(K1+K2)/(4K3)]1/3b=n[3πN(K1+K2)/(4K3)]1/3。
      系数K1、K2、K3定义为K1=1-σ2WπEW，K2=1-σ2RπERK3=121R1+1R’1+1R2+1R’2；
      系数m、n的值取决于比值K4/K3，K4定义为K4=121R1-1R’12+1R2-1R’22+121R1-1R’11R2-1R’2cos(2Υ)1/2(5)式中：N为总正压力；R1为车轮主滚动圆半径；R′1为接触点处车轮型面横向主曲率半径；R2为接触点处钢轨主滚动圆半径(钢轨的R2为∞)；R′2为接触点处钢轨型面横向主曲率半径；σW、σR分别为车轮、钢轨材料的泊松比；EW、ER分别为车轮、钢轨材料的杨氏弹性模量；Υ为含曲率1/R1及1/R2法平面间的夹角。
      根据式得到直线运行紧急制动工况、曲线运行紧急制动工况、道岔通过紧急制动工况接触斑纵向与横向轴长。近似取接触斑为长方形，则直线运行紧急制动工况的垂向力P1作用位置的压强为P’1=P1/(ab)=9.008×10⁸Pa。

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