高速動(dòng)車組S38C車軸疲勞、裂紋擴(kuò)展特性及可靠性研究.pdf

1、S38C車軸作為中國(guó)現(xiàn)代高速鐵路主力車軸類型之一，廣泛應(yīng)用于CRH2A、CRH2B、CRH2C以及CRH2E這幾種動(dòng)車組上。但是由于S38C車軸進(jìn)口以及材料加工的特殊性，我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)此種車軸的研究?jī)H僅處于起步階段，研究成果較少。本論文研究了S38C高速動(dòng)車組車軸小試樣和實(shí)物車軸的疲勞及裂紋擴(kuò)展特性，對(duì)空心車軸裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子及裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了仿真分析，并且對(duì)車軸疲勞裂紋的剩余壽命和運(yùn)行可靠性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。以上研究目的是為S38C車軸制定檢修

2、周期與管理方法提供依據(jù)。主要內(nèi)容如下:
　　1、直接從車軸表面選取試樣，沿徑向進(jìn)行車軸鋼材料顯微硬度及金相組織的測(cè)試。選取車軸芯部組織材料制作三點(diǎn)彎曲疲勞試樣，針對(duì)S38C表面材料分層變化，且硬化層與過(guò)渡層較薄的特點(diǎn)，根據(jù)車軸真實(shí)硬度及顯微組織，利用熱模擬機(jī)模擬S38C車軸鋼高頻淬火工藝，并利用自制淬火裝置進(jìn)行批量加工，得到與實(shí)際車軸表面材料屬性相同的小試樣。加工好的試樣在疲勞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，擬合試驗(yàn)結(jié)果獲得車軸鋼材料的S-N

3、曲線，采用升降法得到其疲勞極限，并使用MM法則對(duì)低于疲勞極限的S-N曲線進(jìn)行修正。制作表面壓坑缺陷與表面鉆孔缺陷三點(diǎn)彎曲小試樣，試驗(yàn)得到對(duì)應(yīng)疲勞極限。研究了感應(yīng)加熱淬火、馬弗爐加熱淬火和鹽浴爐加熱淬火三種不同熱處理工藝對(duì)車軸鋼疲勞性能的影響及預(yù)扭轉(zhuǎn)技術(shù)對(duì)車軸鋼疲勞性能的影響。根據(jù)車軸實(shí)際損傷情況，在實(shí)物車軸表面制造人工缺陷，分別為環(huán)形溝槽與V型溝槽，將加工好的實(shí)物車軸放置于懸臂梁式車軸疲勞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)物車軸疲勞試驗(yàn)。分析了疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4、，結(jié)果表明含缺陷實(shí)物車軸與含缺陷小試樣考慮應(yīng)力集中影響的最大名義應(yīng)力結(jié)果非常接近，并且“軸身擦傷深度不大于0.1mm，撞擊傷深度不大于0.3mm”的檢修規(guī)程偏于保守。
　　2、直接從實(shí)際車軸表面截取試樣，保持實(shí)際車軸表層原有的硬度和顯微組織梯度變化，在試樣的車軸表面一側(cè)制造人工缺陷，通過(guò)試驗(yàn)獲得裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)，并根據(jù)距車軸表層不同深度的硬度和顯微組織的變化規(guī)律提出了分層考慮裂紋擴(kuò)展的方法，將結(jié)果分為0-2mm，2-4mm以及4-8m

5、m三個(gè)組別，分別擬合三個(gè)分組的Paris公式與Forman公式，并將兩種公式擬合結(jié)果進(jìn)行了比較。采用兩根實(shí)物車軸進(jìn)行國(guó)內(nèi)首次S38C車軸裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，分別使用應(yīng)變片、磁粉探傷結(jié)合的方法以及ARAMIS裂紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行車軸表面裂紋的監(jiān)測(cè)。在實(shí)物車軸表面制造人工缺陷，放置于車軸疲勞試驗(yàn)臺(tái)上制作裂紋并進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，觀察車軸斷口，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合實(shí)物車軸Paris公式，并與小試樣的Paris公式進(jìn)行比較分析。從裂紋擴(kuò)展特性角度分

6、析，“軸身擦傷深度不大于0.1mm，撞擊傷深度不大于0.3mm”的檢修規(guī)程同樣可以考慮適當(dāng)放寬。
　　3、考慮到空心車軸中心孔的影響，對(duì)實(shí)心車軸表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子解析模型進(jìn)行修正，得到空心車軸表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的解析模型。建立有限元車軸模型，在車軸表面建立不同深度、不同形狀比半橢圓裂紋，將解析解與有限元解進(jìn)行比較。在空心車軸表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子解析式的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步推導(dǎo)出考慮殘余壓應(yīng)力的解析模型，同時(shí)結(jié)合建立考慮殘余應(yīng)力的

7、有限元模型，將兩者計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。又將結(jié)果與不考慮殘余應(yīng)力的解進(jìn)行比較，結(jié)果表明殘余壓應(yīng)力明顯降低了裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子。研究了殘余壓應(yīng)力對(duì)于裂紋擴(kuò)展的影響，通過(guò)子程序引入初始?xì)堄鄩簯?yīng)力，采用先進(jìn)裂紋擴(kuò)展仿真技術(shù)XFEM與VCCT結(jié)合的方法進(jìn)行裂紋擴(kuò)展仿真計(jì)算，研究結(jié)果表明殘余壓應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制作用很明顯。使用Zencrack仿真軟件，采用實(shí)物車軸試驗(yàn)得到的裂紋擴(kuò)展參數(shù)，進(jìn)行了車軸裂紋擴(kuò)展仿真計(jì)算，使用仿真結(jié)果對(duì)實(shí)物車軸裂紋擴(kuò)展壽

8、命進(jìn)行了計(jì)算。
　　4、基于線路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用雨流計(jì)數(shù)得到S38C車軸的應(yīng)力譜。結(jié)合小試樣試驗(yàn)得到的車軸鋼疲勞性能數(shù)據(jù)，應(yīng)用Miner線性累積損傷法則計(jì)算得到車軸等效應(yīng)力。結(jié)合小試樣裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)得到的車軸鋼材料裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)及不同形狀比裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子預(yù)測(cè)車軸裂紋臨界尺寸和剩余壽命。在概率斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型，將“應(yīng)力”選取為裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子，“應(yīng)力”隨機(jī)變量選為車軸等效應(yīng)力，“強(qiáng)度”選取為車軸的斷裂韌性，