作为货车的重要行走部件，车轮的可靠性直接关系到列车的安全运行。随着铁路运输提速、重载战略的不断推进，对车轮的疲劳强度提出了更高的要求。近年来，840D货车车轮在使用中出现辐板孔裂纹问题，成为威胁列车安全运行的主要故障之一。车轮辐板材料的失效分析排除了材质冶金缺陷导致辐板孔疲劳裂纹的可能性，分析辐板孔裂纹的形成原因应该从辐板孔边的应力状态着手。列车运行过程中，车轮服役条件十分恶劣，不仅承受静态或交变的轮轨机械载荷，还承受踏面制动产生的热负荷作用。要判断轮轨机械载荷、制动热负荷或制动热负荷与轮轨机械载荷的联合作用中哪种工况是辐板孔裂纹形成的原因，需要评价各种载荷作用下辐板的疲劳强度。由于目前尚没有轮轨机械载荷谱和制动热负荷谱，选取几种典型工况对车轮进行有限元分析，对840D车轮辐板的疲劳强度进行评价，定性判断辐板孔疲劳裂纹的成因。
      车轮所承受的轮轨机械载荷包括垂向载荷和横向载荷，根据UIC的相关标准，有如表所示的3种工况，其加载位置和作用方向如图。
      实际运行中车轮是旋转件，车轮上载荷的作用位置不断变化，即使载荷数值恒定，车轮上各点的应力也将随着车轮的转动而呈交变应力状态，每转1周循环1次。将车轮每转45°取一计算点，可得到车轮旋转1周辐板孔边应力随车轮旋转角θ的变化规律。制动产生的热负荷是车轮辐板高应力的主要原因。通常列车有3种制动方式：常用制动、紧急制动和长大坡道制动。参照提速货车车轮热负荷试验研究结果，确定典型制动工况的制动参数见表。
      假设制动过程中，闸瓦与踏面摩擦符合库仑定律，摩擦系数保持不变，忽略热辐射和对流引起的热量损失。采用摩擦功率法计算得出热流密度q(t)分别为：坡道制动，133 kW/m²；常用制动，229.95～4.258 3t(kW/m²)；紧急制动，615.93～10.998 75t(kW/m²)。
      由于辐板孔的存在，车轮不再轴对称，将车轮实体模型分成几部分划分网格。辐板孔边存在应力集中，为保证计算的精确度，对辐板孔附近区域进行局部细划。机械载荷工况下，采用20节点三维六面体单元solid95划分网格，由于载荷不对称，采用整体模型计算，其有限元模型如图所示。
      制动载荷工况下视车轮结构和热载荷呈对称性，故取车轮的1/4结构进行分析。采取solid90热分析单元进行温度场分析，再将所有单元从热分析单元类型solid90转化为结构分析单元类型solid95。采用间接耦合方法将瞬态温度场分析结果作为温度载荷，进行热应力场分析。
      车轮材料CL60的常温力学及热物理参数如下：弹性模量E=2.05×10⁵MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 830 kg/m³，热膨胀系数α=12×10^-6K，比热容c=426.6 J/(kg·K)，热导率k=48.6 W/(m·K)，导流系数h=22.72 W/(m²·K)。
      文献指出，结构产生疲劳裂纹的方向与最大主应力方向垂直，而车轮辐板孔裂纹沿辐板圆周方向。因此，本文给出车轮辐板内侧辐板孔裂纹萌生处径向应力的变化规律。辐板孔始裂部位机械应力波动见图。直线运行工况下车轮辐板孔边压应力最大位置时径向应力分布见图。3种制动工况的径向应力与时间关系计算结果见图，坡道制动结束时刻径向应力的分布见图。
      由计算结果可知：
      1)机械载荷作用下，车轮每转1周，辐板孔边产生交变应力，当辐板孔转到轮轨接触点正上方(θ=0°，360°)时，径向压应力最大，随着车轮的转动，辐板孔逐渐远离轮轨接触部位，压应力逐渐减小，当辐板孔转到与轮轨接触点接近90°或270°时径向拉应力最大。
      2)曲线和直线运行工况下机械波动应力均值为负，且最大应力较小，近似为零-压脉动疲劳。
      3)道岔通过工况下，背向轮缘的横向载荷在辐板孔边产生的应力与垂向载荷产生的应力部分抵消，使道岔工况下辐板孔边压应力比其他两种工况的压应力小，应力均值接近于零，近似为对称循环。
      4)制动作用下，坡道制动在轮辋与辐板内侧圆弧过渡区域整个圆周方向上出现长时、稳态、径向高拉应力，甚至接近材料的屈服极限，且应力衰减缓慢，每次制动相当于1次零-拉脉动疲劳。
      5)常用制动径向应力最小，紧急制动次之。

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