地铁车辆在运行时须经常制动,采用踏面制动的地铁车辆在制动时产生大量的摩擦热,使得车轮接触表面温度升高,引起踏面局部热应力与轮轨机械载荷的耦合作用下,易导致车轮踏面表层萌生横向热裂纹,随着运行里程及制动次数的增加,热裂纹在轮轨动态载荷和制动摩擦热的反复作用下可能发生扩展,从而影响地铁车辆的安全运营。针对上述热裂纹,本文基于地铁车轮的真实几何尺寸,采用有限元软件ANSYS建立了带裂纹的三维弹塑性有限元热-机耦合车轮模型,模型中考虑了轮轨摩擦温升、制动温升以及热对流的影响;通过有限元模型计算,得出了裂纹区域的热-机耦合应力场,并采用裂纹尖端应力强度因子判定裂纹扩展情况,研究了踏面热裂纹的扩展行为,得出了如下结论:(1)当车轮滚动速度为80 km/h且纵向蠕滑率为1.5‰时,轮轨间的摩擦可引起接触斑表面产生最高约43℃的温升,摩擦温升对裂纹扩展基本无影响,接触斑内裂纹的扩展由机械载荷驱动,其扩展主要以滑开型为主。当车速为20 km/h且发生车轮打滑时(纵向蠕滑率为13.5%),轮轨接触斑表面因摩擦而引起的温度最高可达483℃,产生的温度场由接触斑表面至车轮径向0.2 mm的深度范围内呈递减传递,即当裂尖深度小于0.2 mm时,裂纹的扩展由接触斑内的热应力与机械应力共同驱动,对比相同工况下仅考虑机械载荷时的计算结果发现,热应力可使裂尖应力强度因子增加23%左右;当裂纹深度大于0.2 mm时,裂纹的扩展主要由机械载荷影响。(2)车轮踏面与闸瓦的接触面积对热裂纹扩展具有较大的影响。车轮踏面与闸瓦的接触面积越小,列车制动时在车轮表面产生的温度越高;如接触面积减小至闸瓦制动表面的30%、40%和50%时,踏面制动接触区内温度最高可达502℃、384℃和313℃;当接触面积小于50%时,裂纹扩展随接触面积的减小而增大;当接触面积大于50%时,踏面制动对车轮表面裂纹的扩展基本无影响。(3)列车轴重越大,踏面制动时引起的车轮表面温度越高,如相同工况下轴重为11、14和16 t的列车制动时,摩擦引起的踏面最高温度分别为355、443和502℃,车轮踏面裂尖应力强度因子随温度的升高而增大。当高温度的车轮与钢轨接触时,钢轨对接触斑的冷却使得接触斑内裂纹的应力强度因子降低约9%。