列车车轮踏面滚动接触疲劳损伤机制研究

发布时间：2020-12-18 01:16

　　铁路运输作为陆路运输的重要交通方式之一,在推动国民经济发展上发挥着不可替代的作用。车轮作为重要的承载构件和移动构件,其安全、高效和平稳运行至关重要。然而,列车车轮在长期服役过程中,经常发生滚动接触疲劳和剥离损伤,严重影响列车运行安全性、经济性和舒适性。虽然科研人员已经对车轮踏面的损伤问题开展了大量的研究工作,但滚动接触疲劳和剥离损伤问题依然存在且随着列车轴重和速度的增加,越发频繁和严重。因此,本文开展了滚动接触疲劳和剥离机制的研究。首先针对发生踏面滚动接触疲劳和剥离损伤的实际服役车轮开展失效分析,分析了滚动接触疲劳和剥离损伤的原因及机制。然后开展实验室内的标准滚动接触疲劳试验,将标准滚动接触疲劳试样同实际服役车轮的损伤进行对比,分析了两者损伤行为和机制的异同及原因,并对滚动接触疲劳裂纹进行了命名和长度的定义,提出了一种面向滚动接触疲劳裂纹损伤程度的定量评价方法。最后采用有限元仿真软件,分析了蠕滑率对车轮踏面应力大小及接触斑形状的影响并对比分析了实际服役车轮和实验室标准滚动接触疲劳试样表面的应力大小及分布规律。实际服役车轮出现了滚动接触疲劳损伤。运用失效分析的方法,对实际服役车轮进行了宏... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１零件磨损阶段图??

?第１章绪论???分为４类，并解释了每种裂纹萌生的原因［２＼文献［３１］根据车轮踏面剥离机制，将??踏面剥离分为滚动接触疲劳剥离、制动剥离和擦伤剥离。??（ａ）?（ｂ）??图１．２材料缺陷处短裂纹的扩展：（ａ）普通单轴疲劳；（ｂ）滚动接触疲劳??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｈｏｒｔ?ｃｒａｃｋ?ｇｒｏｗｔｈ?ａｔ?ａ?ｍａｔｅｒｉａｌ?ｄｅｆｅｃｔ：?（ａ）?ｐｌａｉｎ?ｕｎｉａｘｉａｌ?ｆａｔｉｇｕｅ，?（ｂ）?ｒｏｌｌｉｎｇ?ｃｏｎｔａｃｔ??ｆａｔｉｇｕｅ．??＞滚动接触疲劳损伤机制??科研人员对车轮的滚动接触疲劳的形成机制进行了大量研究，目前还没有形??成统一的认识。Ｇｒａｎｈａｍ等［３２Ｈ人为，滚动接触疲劳是车轮表面经循环碾压，晶粒细??化，硬度升高，产生塑性变形，塑性变形不断累积，超过材料的軔性极限时裂纹萌??生。Ｂｌｏｄ等认为，滚动接触疲劳是因为棘轮效应产生塑性累积变形，当累积变??形达到材料的韧性极限时裂纹萌生。Ｅａｄｉｅ等％提出滚动接触疲劳是由于轮轨间的??摩擦力造成车轮表层金属塑性流动，从而促进车轮疲劳磨损。１＾１１＾１＾１１等［３５］认为在??轮轨接触中，车轮踏面上的应力集中是滚动接触疲劳裂纹萌生的主要原因。Ｓａｎｇｉｄ??等［３６］认为应变累积是导致疲劳裂纹萌生的主要因素，在轮轨作用力下，应变通过??位错使晶粒滑移，滑移具有不完全可逆性，其中的不可逆性导致应变累积并最终产??生疲劳裂纹。Ｍａｋｉｎｏ等［３７］采用安定图作为准则研究了在水润滑作用下和不同蠕滑??率下车轮钢的滚动接触疲劳特性，认为蠕滑率的增加使得疲劳强度降低，并导致疲??劳裂纹的产生。综上所述，滚动接触疲劳损伤是车轮长期服役导致的

次是Ｃ区、Ｄ区和Ｂ区，滚动接触疲劳裂纹位于Ｄ区和Ｅ区，Ｅ区有??“鼓楞”存在。??上述微观观察和对比分析表明，车轮踏面在不同位置其损伤现象是有明显差??异的，机制也存在差异，引起损伤的原因自然各不相同。轮缘处主要损伤形式是??磨损。名义滚动圆外侧较容易发生滚动接触疲劳，在最外侧因金属流动会发生??“鼓棱”现象，在“鼓棱”处金属折叠外翻，形成折叠缺陷。??由于滚动接触疲劳裂纹对车轮的损伤比较重要，因此需对该车轮踏面上的滚??动接触疲劳裂纹进行详细观察和统计，部分滚动接触疲劳裂纹形貌如图２．４所示。??由图可知，滚动接触疲劳裂纹的几何特征非常相似，呈三角形，均指向车轮外侧??面（页面上方为车轮外侧面），这与车轮在服役过程中所受的剪切应力方向密切??相关，滚动接触疲劳裂纹尖角的指向或许可以作为引起滚动接触疲劳损伤的外力??方向的判断依据。??ＢＨＩＨ??图２．４车轮踏面上典型接触疲劳裂纹形貌??Ｆｉｇ．?２．４?Ｔｙｐｉｃａｌ?ＲＣＦ?ｃｒａｃｋｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｗｈｅｅｌ?ｔｒｅａｄ??对车轮踏面上滚动接触疲劳裂纹的分布位置进行统计，统计结果如图２．５所??示。图２．５给出了踏面上各滚动接触疲劳裂纹“开口”两端点距车轮外侧面的距离，??该车轮踏面上滚动接触疲劳裂纹共计４２处，主要分布在Ｄ区和Ｅ区交界线两??侧，距车轮内侧面９０？１２０?ｍｍ范围内，“分布带”宽度约３０?ｍｍ。??１７??


本文编号：2923068