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原文传递高速列车锻钢制动盘热疲劳寿命评估研究

论文题名：	高速列车锻钢制动盘热疲劳寿命评估研究
关键词：	高速动车组;锻钢制动盘;疲劳寿命;应力分布
摘要：	制动盘是轨道车辆制动载荷的关键承载部件之一，而裂纹扩展是制动盘服役失效的主要形式。制动盘摩擦面裂纹多为热疲劳裂纹，制动盘在长期服役过程中，盘体初始缺陷和频繁制动产生的温度梯度所引起的拉压应力循环会诱导摩擦面萌生裂纹，并逐渐扩展到临界尺寸使制动盘失效。摩擦面上多条裂纹间的相互作用会抑制或促进裂纹的扩展，本论文的研究工作可为制动盘的寿命评估提供参考。　　本论文在铁道部科技研究开发计划项目“高速动车组锻钢制动盘疲劳寿命试验研究与评估”和“动车组制动盘材料冷热循环应力及疲劳裂纹研究”支持下，以高速动车组制动盘为研究对象，在武广高铁线路上进行了制动载荷谱实测试验，得到了锻钢制动盘在服役过程中的制动压力载荷谱;借助有限元软件计算了制动盘在不同制动工况下的应力场和残余应力分布。在此基础上分析了制动盘摩擦面裂纹的应力强度因子变化规律，通过1∶1台架试验与有限元计算相结合的方法深入研究了摩擦面多条裂纹间的作用机制，进一步基于疲劳损伤理论和断裂力学法评价了锻钢制动盘的使用寿命。主要工作如下: 　　(1)从材料断口方面对锻钢制动盘裂纹进行了分析。制动盘表面裂纹分布以径向裂纹为主，周向裂纹较少。通过解剖盘面裂纹发现长裂纹是由多条表面半椭圆裂纹连接而成，裂纹形状呈扁平状。　　(2)研究了锻钢材料在常温和高温下的单调拉伸特性，热物理性能以及各性能参数与温度的相关性，建立了锻钢材料的弹塑性本构关系;从制动盘取样测试得到了材料的断裂韧度、低周疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值。　　(3)通过基于仿真得到接触压力的分布规律，得出在制动盘和闸片间的接触高温边界处容易萌生裂纹的结论。建立制动盘三维有限元模型，采用顺序耦合的数值计算方法，模拟了制动盘在不同制动工况下的应力应变响应，阐明了制动过程中形成的热应力和残余应力组成的拉压循环是驱动裂纹扩展的重要原因。　　(4)分析不同制动工况、形状比、深厚比、裂纹长度、裂纹角度下，制动盘表面裂纹前缘的应力强度因子变化规律，发现在一定的载荷条件下裂纹前缘应力强度因子分布存在一定的规律性，随着裂纹的扩展，裂纹形状逐渐趋于扁平化。　　(5)结合制动盘1∶1台架试验和仿真结果，揭示了多裂纹相互作用下的裂纹扩展规律。裂纹间的相互作用随裂纹数量、空间位置、裂纹长度比、形状比、裂纹间距的变化而变化。平行裂纹数量越多，裂纹间距越小，盘面裂纹扩展越慢;共线裂纹形状比越大，裂纹尖端距离越小，盘面裂纹扩展越快;周向裂纹对径向裂纹的扩展影响较小。　　(6)采用低周疲劳损伤理论和断裂力学法，计算了不同制动工况下的裂纹萌生和扩展寿命，发现制动盘在使用前期偶然出现一次恶劣制动对延长制动盘的使用寿命是有利的。通过计算武广线实测线路的累积损伤量发现，列车在实际运行过程中采用多种制动方式相结合的方法，可以有效降低制动盘基础制动引起的疲劳损伤。根据多裂纹间的作用机制，修正了裂纹前缘的应力强度因子，提出了高速列车锻钢制动盘热疲劳寿命评估方法。
作者：	石晓玲
专业：	车辆工程
导师：	李强
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文