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原文传递高速动车组S38C车轴疲劳、裂纹扩展特性及可靠性研究

论文题名：	高速动车组S38C车轴疲劳、裂纹扩展特性及可靠性研究
关键词：	高速动车组;车轴;疲劳裂纹;扩展特性;剩余寿命;可靠性
摘要：	S38C车轴作为中国现代高速铁路主力车轴类型之一，广泛应用于CRH2A、CRH2B、CRH2C以及CRH2E这几种动车组上。但是由于S38C车轴进口以及材料加工的特殊性，我国现阶段对此种车轴的研究仅仅处于起步阶段，研究成果较少。本论文研究了S38C高速动车组车轴小试样和实物车轴的疲劳及裂纹扩展特性，对空心车轴裂纹应力强度因子及裂纹扩展进行了仿真分析，并且对车轴疲劳裂纹的剩余寿命和运行可靠性进行了评价。以上研究目的是为S38C车轴制定检修周期与管理方法提供依据。主要内容如下: 　　1、直接从车轴表面选取试样，沿径向进行车轴钢材料显微硬度及金相组织的测试。选取车轴芯部组织材料制作三点弯曲疲劳试样，针对S38C表面材料分层变化，且硬化层与过渡层较薄的特点，根据车轴真实硬度及显微组织，利用热模拟机模拟S38C车轴钢高频淬火工艺，并利用自制淬火装置进行批量加工，得到与实际车轴表面材料属性相同的小试样。加工好的试样在疲劳试验台进行疲劳试验，拟合试验结果获得车轴钢材料的S-N曲线，采用升降法得到其疲劳极限，并使用MM法则对低于疲劳极限的S-N曲线进行修正。制作表面压坑缺陷与表面钻孔缺陷三点弯曲小试样，试验得到对应疲劳极限。研究了感应加热淬火、马弗炉加热淬火和盐浴炉加热淬火三种不同热处理工艺对车轴钢疲劳性能的影响及预扭转技术对车轴钢疲劳性能的影响。根据车轴实际损伤情况，在实物车轴表面制造人工缺陷，分别为环形沟槽与V型沟槽，将加工好的实物车轴放置于悬臂梁式车轴疲劳试验台上进行实物车轴疲劳试验。分析了疲劳试验结果，结果表明含缺陷实物车轴与含缺陷小试样考虑应力集中影响的最大名义应力结果非常接近，并且“轴身擦伤深度不大于0.1mm，撞击伤深度不大于0.3mm”的检修规程偏于保守。　　2、直接从实际车轴表面截取试样，保持实际车轴表层原有的硬度和显微组织梯度变化，在试样的车轴表面一侧制造人工缺陷，通过试验获得裂纹扩展数据，并根据距车轴表层不同深度的硬度和显微组织的变化规律提出了分层考虑裂纹扩展的方法，将结果分为0-2mm，2-4mm以及4-8mm三个组别，分别拟合三个分组的Paris公式与Forman公式，并将两种公式拟合结果进行了比较。采用两根实物车轴进行国内首次S38C车轴裂纹扩展试验，分别使用应变片、磁粉探伤结合的方法以及ARAMIS裂纹监测系统进行车轴表面裂纹的监测。在实物车轴表面制造人工缺陷，放置于车轴疲劳试验台上制作裂纹并进行裂纹扩展试验，试验结束后，观察车轴断口，利用试验数据拟合实物车轴Paris公式，并与小试样的Paris公式进行比较分析。从裂纹扩展特性角度分析，“轴身擦伤深度不大于0.1mm，撞击伤深度不大于0.3mm”的检修规程同样可以考虑适当放宽。　　3、考虑到空心车轴中心孔的影响，对实心车轴表面裂纹的应力强度因子解析模型进行修正，得到空心车轴表面裂纹应力强度因子的解析模型。建立有限元车轴模型，在车轴表面建立不同深度、不同形状比半椭圆裂纹，将解析解与有限元解进行比较。在空心车轴表面裂纹应力强度因子解析式的基础上，又进一步推导出考虑残余压应力的解析模型，同时结合建立考虑残余应力的有限元模型，将两者计算结果进行比较。又将结果与不考虑残余应力的解进行比较，结果表明残余压应力明显降低了裂纹前缘应力强度因子。研究了残余压应力对于裂纹扩展的影响，通过子程序引入初始残余压应力，采用先进裂纹扩展仿真技术XFEM与VCCT结合的方法进行裂纹扩展仿真计算，研究结果表明残余压应力对裂纹扩展的抑制作用很明显。使用Zencrack仿真软件，采用实物车轴试验得到的裂纹扩展参数，进行了车轴裂纹扩展仿真计算，使用仿真结果对实物车轴裂纹扩展寿命进行了计算。　　4、基于线路实测数据，采用雨流计数得到S38C车轴的应力谱。结合小试样试验得到的车轴钢疲劳性能数据，应用Miner线性累积损伤法则计算得到车轴等效应力。结合小试样裂纹扩展试验得到的车轴钢材料裂纹扩展数据及不同形状比裂纹的应力强度因子预测车轴裂纹临界尺寸和剩余寿命。在概率断裂力学的基础上，运用应力-强度干涉模型，将“应力”选取为裂纹前缘应力强度因子，“应力”随机变量选为车轴等效应力，“强度”选取为车轴的断裂韧性，通过改变变异系数，评估定极限裂纹尺寸与考虑裂纹扩展随机特征两种情况下车轴裂纹扩展寿命的可靠性。
作者：	林浩博
专业：	载运工具运用工程
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：	2017
正文语种：	中文