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轮轴表面损伤下的疲劳可靠性研究
| 论文题名： | 轮轴表面损伤下的疲劳可靠性研究 |
| 关键词： | 高速动车组;车轴;裂纹扩展;疲劳强度;检修周期 |
| 摘要： | 轮轴是高速动车组安全运行的关键部件之一，而且由于列车运行速度的不断提高，它的重要性显得尤为突出。因此，我们有必要对车轴的疲劳强度也有更加严格的要求。在复杂的环境中运行，车轴难免会遇到一些意外状况，比如车轴遭到轨道上道砟或碎石等异物的撞击，致使其表面留下一定深度的缺口。尽管发生的可能性微乎其微，但一旦出现，缺口在随机载荷下极有可能萌生出裂纹，并在运行过程中逐渐扩展，达到临界尺寸，甚至发生断轴事故，进而带来人员伤亡及公共财产的损失。因此为保障列车车轴的运行安全，本论文主要针对遭到异物冲击并在表面留下一定深度缺口的车轴，研究其强度变化并计算裂纹萌生寿命，进而为车轴检修周期以及管理方法提供合理的理论依据。主要研究内容总结如下: (1)调研车轴在运行过程中遭到碎石等异物击打所造成缺陷的形状，查阅文献得到车轴钢的疲劳性能参数，具体包括车轴钢的S-N曲线、裂纹扩展的门槛值、裂纹扩展速率参数及缺口S-N曲线的计算方法。 (2)参照UIC510-5标准，对轮轴进行有限元仿真计算，得到轮轴受力状态，选取危险截面布置桥路，随后进行跟车试验，对实测的数据进行处理得到相对应的应力谱。 (3)选取车轴的危险截面以及易受异物击打的位置插入缺口，建立包含缺口的空心车轴有限元模型，根据相关标准施加载荷及约束并进行仿真计算，得到带有缺口的车轴受力状态和缺陷处的应力集中系数。再通过平滑S-N曲线估算缺口S-N曲线，并结合Miner法则及实测应力谱预测不同缺口处的裂纹萌生寿命。 (4)通过两种方法来分别求解裂纹尖端的应力强度因子。一种是解析法，由圆柱表面裂纹解析模型修正得到空心轴表面裂纹解析模型，再通过公式计算得到参数值;另一种是仿真法，结合FRANC3D和ANSYS建立包含裂纹的有限元模型，通过仿真计算得到应力强度因子的变化规律。对比两种方法的计算结果，确定有限元仿真法的可靠性。再将其与应力强度因子门槛值进行对比，判断裂纹是否会进行扩展。 |
| 作者： | 牛俊光 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 金新灿 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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