异物致损铁道车轴的疲劳强度及寿命评估

摘要

车轴是高速列车关键承载部件,承受着源自车体、轨道的各种载荷,其疲劳行为直接关乎列车运行安全.疲劳裂纹往往具有较强的隐蔽性和突然性,由车轴断裂发生的列车脱轨事件具有灾难性,因此确保车轴在运行中不发生失效事故,对高速列车可靠运行至关重要.高速列车实际运营中,车轴外表面受到各种异物击打,会形成深度达毫米级的缺陷,破坏车轴表面完整性,严重威胁车辆安全.本研究采用空气炮装置预制合金钢车轴小试样异物致损(foreign object damage,FOD)缺陷,采用扫描电子显微镜和体视显微镜观测损伤特征.开展高周疲劳试验获得光滑试样和FOD损伤小试样的疲劳S-N曲线,考虑载荷模式、表面质量和尺寸系数推证出全尺寸车轴的疲劳性能.断口分析表明,裂纹于FOD附近多处位置萌生,并在不同平面内连续扩展,最终汇聚为一个半椭圆形裂纹.基于Peterson公式和El Haddad模型估算异物冲击速度100 m/s和138 m/s试样的理论疲劳极限远低于试验结果,过于保守;同时也远低于标准推荐值,偏于危险.最后,采用修正的Miner理论公式估算含FOD实物车轴的服役寿命,满足最低25年的服役寿命.