EA4T车轴轮座微动疲劳损伤机理研究

摘要

为了揭示EA4T车轴轮座微动疲劳损伤机理，本文分别进行了在全尺寸轮轴的轮座处施加了与轮座疲劳极限相同的高应力幅值、和与运营工况对应的低应力幅值的两根轮轴的旋转弯曲微动疲劳试验，分析微动磨损对实际轮轴轮座处微动疲劳强度的影响，确定了微动磨损机理和微动疲劳裂纹的萌生机理。实验结果表明：微动损伤由微动磨损和微动腐蚀共同作用造成，并以微动磨损为主。微动损伤区可分为三个区域，I区处于磨损区内，位于配合最边缘，磨损最严重，属于磨粒磨损；II区紧邻I区，磨损严重，表面附着有红色和黑色磨屑，属于磨粒磨损、剥层磨损和氧化磨损；III区位于粘-滑区，磨损轻微，属于剥层磨损和氧化磨损。磨损区宽度与张开区宽度一致，微动损伤区边界与粘-滑边界一致。随着载荷增大，损伤程度和损伤区总宽度随之增大。疲劳裂纹萌生于粘-滑区内，沿车轴周向分布，裂纹萌生角度与车轴径向夹角约为33°，随着裂纹的扩展夹角逐渐减小并最终沿径向扩展。　　为了阐明微动磨损对疲劳的影响规律，本文在实验前光滑轮座接触面上，以及实验后获得的车轴轮座含磨损轮廓的接触面上，分别建立了有限元仿真模型，研究了微动磨损对轮座应力分布及微动参量的影响，运用多轴疲劳临界平面法计算了SWT损伤参数和FS损伤参数。结果表明：未磨损时，接触压应力、摩擦剪应力、微动滑移幅值及轴向应力的峰值均出现在接触区域最边缘；在微动磨损作用下，各微动参量发生重分布，其峰值均朝着接触面内部移动，并出现在磨损-未磨损边界，其中控制疲劳的轴向应力(与疲劳设计时的名义应力对应)在磨损区由负变正；裂纹萌生位置为SWT参数和FS参数最大值处。　　由上述研究结果可知，EA4T车轴轮座微动疲劳损伤机理是，在轮座接触边缘附近区域，接触压应力、摩擦剪应力和微动滑移幅值的共同作用下，新车轴座最边缘处应力集中最严重，但控制疲劳的轴向应力很小，随着受载的循环数增加，轮座边缘逐渐出现微动磨损，且磨损区域向着轮座内部方向移动，控制疲劳的轴向应力逐渐增加。在粘着-滑移区附近(磨损-未磨损边界)，当多轴疲劳临界平面上损伤参数增大到一定时，该部位出现疲劳裂纹，裂纹扩展角度与临界平面一致。微动磨损，改变了接触区的接触状态，使控制疲劳的轴向应力变大，因此，抑制微动磨损是抑制微动疲劳发生的最根本的手段。　　本文研究成果可为车轴轮座抗疲劳制造和结构抗疲劳优化设计提供指导。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景

1.2微动损伤研究现状

1.2.1 材料微动损伤研究现状

1.2.2 铁路轮轴过盈配合结构微动损伤研究现状

1.3 研究内容

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

第2 章车轴疲劳试验

2.1 车轴疲劳试验方法

2.1.1 轴身及过渡圆弧处疲劳极限F1

2.1.2 轴身缺陷处疲劳极限F2

2.1.3 轮座处疲劳极限F3、F4

2.1.4 轴颈处疲劳极限F5

2.2 车轴疲劳试验台

2.2.1 简支式旋转弯曲疲劳试验台

2.2.2 悬臂式旋转弯曲疲劳试验台

2.2.3 偏心共振式旋转弯曲疲劳试验台

2.3 小结

第3 章全尺寸车轴微动疲劳试验

3.1 试验材料及条件

3.2 高、低两载荷水平下车轴试验结果比较

3.2.1 微动损伤区宽度

3.2.2 微动损伤区磨损轮廓

3.2.3 微动磨损机理

3.2.4 微动裂纹观察

3.3 小结

第4 章全尺寸车轴有限元仿真

4.1 全尺寸车轴有限元模型

4.2 全尺寸车轴仿真结果

4.2.1 微动磨损对接触压应力的影响

4.2.2 微动磨损对摩擦剪应力的影响

4.2.3 微动磨损对微动滑移幅值的影响

4.2.4 微动磨损对轴向应力的影响

4.3 多轴疲劳临界平面法

4.3.1 SWT参数法

4.3.2 FS参数法

4.3.3 参数计算结果分析

4.4 仿真结果讨论

4.5 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研项目

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