表面裂纹对铁路货车车轴性能的影响

摘要

货车的车轴作为其运行安全非常重要的零件，车轴表面可能由于疲劳或者安装、维护不当或者异物冲击等原因而造成的不同程度的损伤。这种损伤在车轴随机载荷下会萌生裂纹，并逐渐扩展到临界尺寸，这些情况都直接影响了车轴的使用寿命。其材料的综合力学性能特别是疲劳性能不仅决定了列车的运行速度，同时还影响到了列车的运行安全性。因此，裂纹的扩展规律研究可以为车轴的运用提出更好的参考建议。
　　 本论文以转K6转向架中的轮对为研究对象，在车轴产生表面裂纹损伤的情况下，应用有限元手段，从实际损伤表面抽象出一种裂纹模型，进行车轴裂纹损伤性能的研究。
　　 1.用ANSYS建立轮对的无裂纹有限元模型，分析轮对的受力、约束等，分别计算直线和曲线运行工况的应力.局部分析轴部分最大的应力;通过静强度分析可知，无论在直线工况还是曲线工况下，车轴应力与载荷呈线性增大关系。有限元计算得出结果显示:在直线工况和曲线工况下，车轴最大应力出现在距离轴端面219.81mm处的卸荷槽位置。
　　 2.分别在车轴表面建立裂纹长度为1mm、2mm、3mm含有裂纹的轮对模型，计算有缺陷模型的应力、应力强度因子;改变裂纹与轴中心线的偏转角度分别为0°、30°、60°、90°，计算相应的模型的应力、应力强度因子;计算分析表明在裂纹前缘位置出现应力集中，并且与无裂纹车轴相比较，应力增大很多。随着裂纹的长度和深度的增加，应力也随着增大。在同一个裂纹当中，随着载荷的增大，应力强度因子也增大，呈线性增加的关系。
　　 3.分析有裂纹车轴模型临界裂纹尺寸，根据载荷的大小仿真得出的应力、应力强度因子、裂纹长度及角度的变化的曲线，拟合得出应力强度因子的经验计算公式。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义和方法

1．1．1 研究意义

1．1．2 研究方法

1．2 国内外研究现状

第2章 车轴基本理论

2．1 车轴几何参数的确定

2．2 配合铸钢轮参数的确定

2．3 车轴受力分析

2．4 车轴的应力计算

2．4．1 计算由运动引起的弯矩

2．4．2 合力矩的计算

2．4．3 各截面疲劳应力集中系数K的计算

2．4．4 截面应力的计算

2．4．5 疲劳强度评定

本章小结

第3章 车轴的疲劳断裂理论

3．1 车轴的破坏形式

3．2 影响车轴疲劳寿命的因素

3．3 车轴交变应力和S-N曲线

3．4 裂纹特点和分类

3．5 无限大板双轴受等值均匀拉伸Ⅰ型裂纹尖端应力场分析

3．6 疲劳破坏的过程

3．6．1 车轴疲劳裂纹的萌生

3．6．2 疲劳裂纹扩展

3．7 车轴疲劳裂纹扩展速率

本章小结

第4章 车轴的应力计算

4．1 轮对有限元模型建立

4．2 轴有限元结果分析

4．2．1 直线工况车轴应力分析

4．2．1 曲线工况车轴应力分析

本章小结

第5章 含裂纹车轴有限元计算分析

5．1 应力强度因子的计算

5．1．1 强度因子K值计算

5．1．2 临界裂纹长度计算

5．2 含裂纹车轴有限元模型建立

5．2．1 裂纹前沿单元

5．2．2 裂纹模型建立

5．3 结果分析

5．3．1 直线工况分析

5．3．2 曲线工况分析

5．4 应力强度因子计算结果比较

5．5 临界裂纹尺寸计算

5．6 经验公式拟合

5．6．1 直线工况

5．6．2 曲线工况

本章小结

结论和展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及参加的科研项目