高速列車合金鍛鋼制動(dòng)盤壽命評(píng)估研究.pdf

1、制動(dòng)盤熱裂紋對(duì)高速列車運(yùn)行安全危害性較大，如果不加以監(jiān)控，可能會(huì)引起制動(dòng)盤斷裂，直接影響列車和旅客人身財(cái)產(chǎn)的安全。因此，建立既精確又行之有效的高速列車制動(dòng)盤缺陷評(píng)定及壽命評(píng)估系統(tǒng)對(duì)于保證行車安全具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。 本文以高速列車合金鍛鋼制動(dòng)盤缺陷評(píng)定及壽命預(yù)測(cè)為研究目標(biāo)，從對(duì)高速列車“中華之星”和“先鋒號(hào)”合金鍛鋼制動(dòng)盤裂紋現(xiàn)狀的調(diào)查和分析入手，介紹了熱裂紋擴(kuò)展的基本規(guī)律，采用有限元軟件對(duì)鍛鋼制動(dòng)盤緊急制動(dòng)過(guò)程中

2、的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，應(yīng)用斷裂力學(xué)理論結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)制動(dòng)盤壽命評(píng)估方法進(jìn)行了深入研究，開(kāi)發(fā)了使用簡(jiǎn)單方便的制動(dòng)盤壽命評(píng)估系統(tǒng)。論文主要工作包括： (1)對(duì)高速列車“中華之星”及“先鋒號(hào)”制動(dòng)盤裂紋現(xiàn)狀進(jìn)行全面調(diào)查研究。摸清了我國(guó)高速列車制動(dòng)盤裂紋特征及分布規(guī)律，分析了制動(dòng)盤裂紋剖面的宏觀形貌特征，對(duì)制動(dòng)盤斷面形貌特征和裂紋擴(kuò)展規(guī)律之間的聯(lián)系做出新解釋，為制動(dòng)盤壽命評(píng)估提供了新思路。 (2)用線彈性斷裂機(jī)理分析了

3、裂紋的擴(kuò)展規(guī)律；采用三點(diǎn)彎曲法SE(B)，對(duì)制動(dòng)盤材料的斷裂韌度K<,IC>及疲勞裂紋擴(kuò)展速率da／dN進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定；確定了材料疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值A(chǔ)K<,th>，為制動(dòng)盤的疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)定和壽命預(yù)測(cè)提供必要的數(shù)據(jù)。 (3)用斷裂力學(xué)方法對(duì)制動(dòng)盤缺陷評(píng)定和壽命評(píng)估原理進(jìn)行深入研究。建立了制動(dòng)盤疲勞裂紋的分析模型，提出用斷裂率K<,r>以及載荷率S<,r>為失效雙判據(jù)的缺陷評(píng)定圖(FAD)對(duì)含裂紋的制動(dòng)盤進(jìn)行安全評(píng)定；以Paris公

4、式為依據(jù)，以緊急制動(dòng)次數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，推導(dǎo)出制動(dòng)盤剩余壽命預(yù)測(cè)表達(dá)式N，為開(kāi)發(fā)合金鍛鋼制動(dòng)盤剩余壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。 (4)依據(jù)高速列車鍛鋼制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了制動(dòng)盤循環(huán)對(duì)稱有限元三維模型。提出用熱輻射率折算成對(duì)流換熱系數(shù)的新方法，簡(jiǎn)化了散熱邊界條件。確定了緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤熱輸入模型和對(duì)流散熱模型；基于ANSYS有限元軟件對(duì)高速列車鍛鋼制動(dòng)盤緊急制動(dòng)工況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析；在1∶1制動(dòng)動(dòng)力臺(tái)上進(jìn)行了緊急制動(dòng)試驗(yàn)的

5、結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)比較接近，驗(yàn)證了所建模型的有效性。 (5)試驗(yàn)確定了制動(dòng)盤材料的力學(xué)性能參數(shù)，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性模型，對(duì)緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)盤的熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，為制動(dòng)盤缺陷評(píng)定和壽命預(yù)測(cè)提供計(jì)算數(shù)據(jù)。 (6)開(kāi)發(fā)了鍛鋼制動(dòng)盤缺陷及壽命評(píng)估系統(tǒng)。系統(tǒng)具有對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行快速有效的評(píng)估分析、合理評(píng)價(jià)以及壽命預(yù)測(cè)的功能，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。 本文研究成果對(duì)于提高我國(guó)高速列車基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和安全性具有重要的