轴类部件旋转弯曲微动疲劳损伤分析及试验模拟

摘要

轴类构件过盈配合连接具有结构紧凑、对中性好以及冲击小等优点，被广泛用于传递动力和运动。但是，大量工业实践表明，过盈配合面间的微动损伤极大地降低了过盈配合构件的疲劳强度，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。目前微动疲劳领域的研究大多集中在简化的切向微动疲劳模式，而工业中的轴类构件受旋转弯曲微动疲劳载荷，其损伤是弯曲微动疲劳和拉扭微动疲劳耦合作用的结果。关于旋转弯曲微动疲劳损伤的研究报道较少，开展轴类零件过盈配合结构的旋转弯曲微动疲劳研究，不仅对认识和深化复杂微动疲劳损伤机理有重要的理论意义，而且也能为实际工程的抗微动疲劳损伤设计提供的理论指导。
　　为揭示轴类构件微动损伤的现象和本质，本研究以实际列车轮轴和电机轴/小齿轮轴的过盈配合部位为研究对象，利用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子能谱、光电子能谱、里氏硬度仪和3D形貌仪等先进微观分析手段，进行了详细的失效分析，结果表明典型轴类部件过盈配合区的断裂失效是旋转弯曲微动疲劳的结果。
　　本研究研制了一套模拟轮轴服役行为的旋转弯曲微动疲劳试验系统，实现了缩比结构的旋转弯曲微动疲劳试验模拟，很好地重现了轮轴的旋转弯曲微动疲劳损伤现象。本研究，针对LZ50车轴钢和30CrNiMo8钢，在不同参数（弯曲疲劳载荷、接触应力、旋转速度等）下系统地进行了轮轴缩比结构的旋转弯曲微动疲劳的试验研究，并结合有限元数值模拟，对旋转弯曲微动疲劳机理进行了深入研究。
　　完成的主要研究内容及结论如下:
　　（一）LZ50车轴钢旋转弯曲微动疲劳损伤机理研究
　　轮轴缩比旋转弯曲微动疲劳的试验结果重现了实际服役轮座的损伤。在大量试验基础上，建立了LZ50车轴钢缩比试样的旋转弯曲微动疲劳S～N曲线，结果表明疲劳寿命随弯曲疲劳载荷的变化呈现强烈的非单调特征。微观分析发现，外侧损伤带（靠近弯曲载荷一侧）的损伤以微动磨损为主，而内侧损伤带的宽度较小，微动磨损较轻微，损伤主要表现为微动疲劳裂纹;有限元分析结果显示，外侧损伤带内的相对滑移幅值几乎是内侧的3倍，且依赖于外加疲劳载荷。缩比试样断口呈多源性和台阶状特征。研究发现旋转弯曲微动疲劳寿命随试验速度的增加而下降，但损伤机理未发生改变;研究发现改变接触应力（即过盈配合应力），试样的旋转弯曲微动疲劳寿命存在急剧减小的寿命凹区，即对应微动运行的混合区，说明工程应用中应避开该区域;有限元分析发现，Ruiz参数可以预测旋转弯曲微动疲劳寿命随接触应力变化的行为。
　　（二）30CrNiMo8钢旋转弯曲微动疲劳损伤机理研究
　　基于轮轴旋转弯曲微动疲劳缩比试验台，研究建立了30CrNiMo8钢的旋转弯曲微动疲劳S～N曲线，结果显示30CrNiMo8钢的旋转弯曲微动疲劳寿命急剧下降，其疲劳极限仅约90 MPa。30CrNiMo8钢的旋转弯曲微动疲劳损伤现象类似于LZ50钢，但其寿命对微动疲劳损伤更敏感，几乎在所有外加疲劳载荷水平下，在试样损伤带内均发现了微动疲劳裂纹，表现出更强烈的对疲劳载荷的依赖性。
　　（三）轴类构件旋转弯曲微动疲劳损伤机理的基本特征
　　基于典型轴类部件过盈配合部位的失效分析和上述两种钢的旋转弯曲微动疲劳试验研究，总结归纳的旋转弯曲微动疲劳损伤机理的基本特征如下:
　　(1)轴类构件的旋转弯曲微动疲劳的对数疲劳寿命分布特征并不符合传统的Basquin方程，表现出了较强的对疲劳载荷的依赖性。
　　(2)微动损伤发生在过盈配区边缘，微动磨损最严重的位置发生在距接触区边缘一定距离的位置，微动磨损带的宽度主要取决于外加疲劳载荷的大小;试样表面微动磨损的机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。
　　(3)旋转弯曲微动疲劳的断口呈现多源性和台阶状特征;微动疲劳裂纹萌生于次表层，在裂纹萌生区可见孔洞等缺陷，微裂纹可能是孔洞联通的结果;裂纹扩展呈三阶段特征:a）接触应力控制阶段——裂纹与接触表面的法向呈小角度扩展（约20～40°），并与表面微动磨损倾斜裂纹沟通;b）接触应力和疲劳应力共同控制阶段——随着深度增加接触应力的影响下降，裂纹逐渐转向垂直于接触表面扩展;c）疲劳应力控制阶段——在裂纹垂直于接触表面扩展，其行为相同于常规疲劳，直至最后断裂。
　　(4)在旋转弯曲微动疲劳损伤过程中存在局部磨损与疲劳的竞争机制:在接触区外侧区域，应力、应变和滑移幅值均较高，损伤较严重，主要表现为磨损，且磨损后，颗粒的脱落和第三体的形成有效降低了该区域的应力集中，裂纹形成受到抑制;而在内侧，磨损相对轻微，局部疲劳占优，裂纹易形成和扩展。
　　(5)旋转弯曲微动疲劳损伤表现出了强烈的材料依赖性，即高强度材料的微动疲劳寿命下降因子高;同时，旋转弯曲微动疲劳损伤也体现出一定的运行速度和疲劳载荷依赖性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 微动摩擦学及微动疲劳

1．2．1 微动的定义及分类

1．2．2 微动疲劳研究的研究历史

1．2．3 微动疲劳的特征

1．3 微动疲劳裂纹萌生寿命的预测方法

1．3．1 经验法

1．3．2 多轴疲劳理论

1．4 微动疲劳试验方法

1．4．1 微动疲劳试验设备的典型特征

1．4．2 全尺寸试验

1．4．3 材料试验

1．5 失效分析

1．5．1 失效发生的主要原因

1．5．2 失效分析的步骤

1．5．3 失效事故重构

1．5．4 失效分析的作用

1．6 本文的选题背景和工程意义

1．6．1 本文的选题背景

1．6．2 列车车轴及电机轴微动疲劳损伤研究现状

1．6．3 本文的研究意义

1．6．4 本文的研究内容

第2章 典型轴类部件微动疲劳损伤失效分析

2．1 典型车轴微动疲劳损伤分析

2．1．1 车轴失效分析方案

2．1．2 表面宏观分析

2．1．3 车轴表面硬度测量

2．1．4 车轴表面超声探伤

2．1．5 轮轴截取方案

2．1．6 损伤带表面微观分析

2．1．7 XPS分析

2．1．8 剖面分析

2．1．9 车轴过盈配合的有限元分析

2．1．10 透射电子显微(TEM)分析

2．1．11 小结

2．2 电机轴-齿轮轴失效分析

2．2．1 电机轴失效分析

2．2．2 齿轮轴失效样品分析

2．2．3 电机轴—齿轮轴断口分析

2．2．4 小结

2．2．5 本章小结

第3章 LZ50车轴钢过盈配合旋转弯曲微动疲劳研究

3．1 轮座缩比结构试样的选取

3．1．1 疲劳试验的相似性原理

3．1．2 试样的结构及材料

3．1．3 有限元模型

3．1．4 有限元结果的验证

3．2 旋转弯曲微动疲劳试验系统

3．3 LZ50车轴钢旋转弯曲微动疲劳损伤行为及机理研究

3．3．1 试验参数

3．3．2 S~N曲线

3．3．3 表面应力状态及损伤分析

3．3．4 微动疲劳裂纹的扩展特性

3．3．5 断口分析

3．4 运行速度对LZ50车轴钢旋转弯曲微动疲劳行为的影响

3．4．1 S~N曲线

3．4．2 分析讨论

3．5 接触应力对LZ50车轴钢旋转弯曲微动疲劳行为的影响

3．5．1 S~N曲线

3．5．2 微动损伤分析

3．5．3 断口分析

3．5．4 接触应力对试样旋转弯曲微动疲劳寿命的影响

3．6 本章小结

第4章 电机轴30CrNiMo8钢旋转弯曲微动疲劳行为研究

4．1 试验方法及实验参数

4．2 S~N曲线

4．3 微动损伤机理分析

4．3．1 过盈配合面有限元分析

4．3．2 过盈面微动损伤机理分析

4．4 断口分析

4．5 本章小结

第5章 综合讨论

5．1 过盈配合轴类构件旋转弯曲微动疲劳寿命分布特性

5．2 过盈配合轴类构件旋转弯曲微动疲劳损伤特征

5．2．1 配合面微动磨损特征

5．2．2 微动裂纹的萌生位置

5．2．3 断口特征

5．2．4 微动疲劳裂纹扩展特征

5．3 微动疲劳的材料依赖性

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文