（载运工具运用工程专业论文）高速列车合金锻钢制动盘寿命评估研究.pdf

铁道部科学研究院博士学位论文 摘要 制动盘热裂纹对高速列车运行安全危害性较大，如果不加以监控，可能 会引起制动盘断裂，直接影响列车和旅客人身财产的安全。因此，建立既精 确又行之有效的高速列车制动盘缺陷评定及寿命评估系统对于保证行车安全 具有十分重要的理论意义和现实意义。 本文以高速列车合金锻钢制动盘缺陷评定及寿命预测为研究目标，从对 高速列车“中华之星”和“先锋号”合金锻钢制动盘裂纹现状的调查和分析 入手，介绍了热裂纹扩展的基本规律，采用有限元软件对锻钢制动盘紧急制 动过程中的温度场和应力场进行了数值模拟，应用断裂力学理论结合现场试 验对制动盘寿命评估方法进行了深入研究，开发了使用简单方便的制动盘寿 命评估系统。论文主要工作包括： ( 1 ) 对高速列车“中华之星”及“先锋号”制动盘裂纹现状进行全面调 查研究。摸清了我国高速列车制动盘裂纹特征及分布规律，分析了制动盘裂 纹剖面的宏观形貌特征，对制动盘断面形貌特征和裂纹扩展规律之间的联系 做出新解释，为制动盘寿命评估提供了新思路。 ( 2 ) 用线弹性断裂机理分析了裂纹的扩展规律；采用三点弯曲法s e ( b ) ， 对制动盘材料的断裂韧度k ，及疲劳裂纹扩展速率d a d n 进行试验测定；确 定了材料疲劳裂纹扩展门槛值a k 。，为制动盘的疲劳裂纹扩展评定和寿命预 测提供必要的数据。 ( 3 ) 用断裂力学方法对制动盘缺陷评定和寿命评估原理进行深入研究。 建立了制动盘疲劳裂纹的分析模型，提出用断裂率k ，以及载荷率s ，为失效双 判据的缺陷评定图( f a d ) 对含裂纹的制动盘进行安全评定：以p a r i s 公式为 依据，以紧急制动次数为评价指标，推导出制动盘剩余寿命预测表达式n ， 为开发合金锻钢制动盘剩余寿命预测系统奠定了理论基础。 ( 4 ) 依据高速列车锻钢制动盘的结构特点，建立了制动盘循环对称有限 元三维模型。提出用热辐射率折算成对流换热系数的新方法，简化了散热边 铁道部科学研究院博上学位论文 界条件。确定了紧急制动时制动盘热输入模型和对流散热模型；基于a n s y s 有限元软件对高速列车锻钢制动盘紧急制动工况下的温度场进行了仿真分 析：在1 ：l 制动动力台上进行了紧急制动试验的结果与仿真数据比较接近， 验证了所建模型的有效性。 ( 5 ) 试验确定了制动盘材料的力学性能参数，采用双线性随动强化弹塑 性模型，对紧急制动工况下制动盘的热应力场进行数值模拟，为制动盘缺陷 评定和寿命预测提供计算数据。 ( 6 ) 开发了锻钢制动盘缺陷及寿命评估系统。系统具有对制动盘进行快 速有效的评估分析、合理评价以及寿命预测的功能，具有重要的工程应用价 值。 本文研究成果对于提高我国高速列车基础制动系统的可靠性和安全性具 有重要的理论价值和工程实用价值。 关键词：高速列车；锻钢制动盘；热裂纹；扩展机理：数值模拟；缺陷评定； 寿命预测；评估系统 i i 铁道部科学研究院博士学位论文 a b s t r a c t i ti sd a n g e r o u st h a tt h e r m a lc r a c ko ft h eb r a k ed i s cw o u l dc a u s ea c c i d e n t s i f n o tb em o n i t o r e d ，t h eb r a k ed i s cw i l lb ec r a c kt op r o b a b l el o s sf o rt r a i nd e v i c ea n d p a s s a g e r s e t t i n gu pas y s t e mt oe v a l u a t ed e f e c ta n dl i f e s p a no f t h eb r a k ed i s cf o r h i g h - s p e e dt r a i nw o u l db ee a s yt ot r a i ns a f e t y , a n di tw i l lb eo fv e r yi m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e rt h ef l a wa s s e s s m e n ta n dl i f ee s t i m a t i o no ft h eb r a k ed i s co f h i g h - s p e e dt r a i na st h er e s e a r c ho b j e c t t h ec r a c ko f t h eb r a k ed i s ci si n v e s t i g a t e d ， a n dt h eb a s el a wo ff r a c t u r eo nab r a k ed i s ci sa n a l y z e df o rc h i n as t a ra n dx i a n f e n g t e m p e r a t u r ef i e l d sa n dt h e r m a ls 仃e s sf i e l d so fb r a k ed i s c a r es i m u l a t e d d u r i n ge m e r g e n c yb r a k i n g ，t h ep r i n c i p l e o nt h ef l a wa s s e s s m e n ta n dl i f e e s t i m a t i o no ft h eb r a k ed i s ci ss t u d i e dd e e p l yw i t hf r a c t u r em e c h a n i c sa p p r o a c h a n dt e s t a s s e s s m e n ts y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dt oe v a l u a t ed e f e c ta n dl i f es p a n o f t h ea l l o y - f o r g i n gs t e e lb r a k ed i s c t h i sp a p e rw a sf o c u s e da sf o l l o w e d ： ( 1 ) t h ec r a c ko f t h eb r a k ed i s ci si n v e s t i g a t e df o rc h i n as t a ra n dx i a nf e n g ， w h i c hf i n dt h ef l a wd i s t u r b e dl a w t h ef e a t u r eo fm a c r o - p r o f i l ei sa n a l y z e d ，an e w i n t e r p r e t i v em e t h o di sp u tf o r w a r df o rt h er e l a t i o n a ll a wb e t w e e nt h ef a t i g u ec r a c k a n df e a t u r eo fm a c r o - p r o f i l e ，w h i c h p r o v i d e san e wm e t h o df o rt h el i f ee s t i m a t i o n o f t h eb r a k ed i s c 。 ( 2 ) c r a c kp r o p a g a t i o na tt h es u r f a c ew a sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h ec r a c k p r o p a g a t i o nr a t ea n dt h ed i r e c t i o no ft h ec r a c kp r o p a g a t i o nw i t hl i n e a re l a s t i c f r a c t u r em e c h a n i s m t h e 丘a c t l l r et o u g h n e s sk 盱a n df l a wg r o hr a t ew i t hc y c l e d a d na ed e t e r m i n e d j ms e ( b ) t e s t , t h e nt h et h r e s h o l ds t r e s si n t e n s i t yr a n g e a k m i s c o m p u t e d ，w h i c ho f f e r t e s td a t af o rt h ef l a wa s s e s s m e n ta n dl i f e e s t i m a t i o no f t h eb r a k ed i s c ( 3 ) t h ep r i n c i p l eo n t h ef l a wa s s e s s m e n ta n dl i f ee s t i m a t i o no f t h eb r a k ed i s c i ss t u d i e dd e e p l yw i mf r a c t u r em e c h a n i c sa p p r o a c h af a t i g u ec r a c ka n a l y s i s 1 i i 铁道部科学研究院博士学位论文 m o d e li se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ob s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 ，t h ef a di sa p p l i e dt os a f e a s s e s s m e n tf o rb r a k ed i s c ，i nt h a tt h ef r a c t u r er a t i o k r a n dl o a dr a t i o s 。h a v eb e e n c o n s i d e r e da sb i n a r yc r i t e r i o n ，t h ef a t i g u el i f ei se s t i m a t e db yi n t e g r a t i n gt h ep a r i s l a w , a n dc r i t i c a lf l a ws i z ef o r m u l ai sd e d u c e d ，w h i c hw i l lo f f e rt h e o r e t i c a lb a s i s f o rf l a wa s s e s s m e n ta n dl i f e s p a ne s t i m a t i o n ( 4 ) a c c o r d i n gt os t r u c t u r a lf e a t u r e a3 - dc y c l i cs y m m e t r i cf e m m o d e li s e s t a b l i s h e d an e wm e t h o dw h i c ht r a n s l a t e sh e a tr a d i a t i o nc o e f f i c i e n ti n t of i l m c o e f f i c i e n ti s p u tf o r w a r d h e a ti m p o r t e dm o d e la n dh e a tc o n v e c t i o nd i s p e r s e m o d e la r ee s t a b l i s h e d ：a3 - dt r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l do fb r a k ed i s co f h i g h - s p e e dt r a i nw a sc o m p u t e db a s e d0 1 1a n s y s t h et e s to fe m e r g e n c yb r a k i n g w a sm a d eo nt h e1 ：1t e s t b e d a n dt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo ft h eb r a k ed i s cw a s o b t a i n e d t h ec o n v e r g e n c eb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so f t h i sb r a k ed i s ci ss u f f i c i e n tt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo f t h em o d e l ( 5 ) m a t e r i a lt e n s i l et e s t sh a v e b e e nd o n et od e t e r m i n em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e r m a ls t r e s sf i e l d si s d o n ew i t hb i l i n e a r k i n e m a t i ch a r d e n i n gb e h a v i o rm o d e ld u r i n ge m e r g e n c yb r a k i n g ，w h i c hp r o v i d e s c o m p u t e dd a t af o rt h ef l a wa s s e s s m e n ta n dl i f ee s t i m a t i o no ft h eb r a k ed i s c r e s i d u a ls t r e s so f b r a k ed i s cw a sm e a s u r e db yx - r a ya n a l y z e r 。 ( 6 ) a s s e s s m e n ts y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dt oe v a l u a t ed e f e c ta n dl i f es p a n o f t h ea l l o y f o r g i n gs t e e lb r a k ed i s c ，w h i c hh a ss o m ei m p o r t a n tf u n c t i o ni n c l u d i n g f l a wa s s e s s m e n t ，p r o p e re v a l u a t i o na n dl i f ee s t i m a t i o no ft h eb r a k ed i s c i th a s v e r yi m p o r t a n te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e ( 7 ) s u g g e s t i o n st or u l e so fi n s p e c t i o na n dr e p a i ro nt h ea l l o y f o r g i n gs t e e l b r a k ed i s cf o rh i g h - s p e e dt r a i n a a c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e rw i l lb eo fi m p o r t a n tv a l u et oi m p r o v es e c u r i t y a n dr e l i a b i l i v yo ff u n d a m e n t a lb r a k es y s t e mf o rh i g hs p e e dt r a i n k e yw o r d s ：h i 曲s p e e dt r a i n ；b r a k ed i s c ；t h e r m a lc r a c k ；p r o p a g a t i o n m e c h a n i s m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d e f e c te v a l u a t i o n ；l i f e c a l c u l a t i o n ； a s s e s s m e n ts y s t e m i v 铁道科学研究院学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下独立 完成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的作品或成果。对本文研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中说明并表示了诚挚的谢意。 舌硭占 论文作者签名：李继山 2 0 0 6 年6 月6 日 铁道科学研究院博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 提高列车速度是铁路赖以生存和适应社会发展的重要手段。从2 0 世纪初 至5 0 年代，德、法、r 等国都开展了大量的有关高速列车的理论研究和试验工 作。1 9 0 3 年1 0 月2 7 日，德国电动车首创了试验速度达2 1 0k m h 的历史记录； 1 9 5 5 年3 月2 8 日，法国用两台电力机车牵引三辆客车的试验速度达到了3 3 l k m h ，刷新了世界高速铁路的记录。铁路高速技术在6 0 年代已经进入实用阶 段，8 0 年代又取得了一系列新成就、新突破，使铁路进入了“第二个新时代”。 特别是在1 9 9 0 年，法国铁路创造了试验速度5 1 5 3 k m h 的世界最高记录，是世 界铁路高速史上的重要标记。我国对提高列车速度也非常重视，铁路主要技术 政策、铁路科技发展“十五”计划和2 0 1 5 年发展规划纲要指出，“要逐步 实现客运专线高速化”。自2 0 世纪9 0 年代以来，铁道部已组织进行了多次铁路 大提速，几大干线均已实现1 6 0k m h 的最高运行速度，广, k l 至深圳线路商业最 高运行速度达2 0 0 k m h ，取得了良好的社会效益和经济效益。2 0 0 2 年，在秦沈 客运专线上，“先锋号”和“中华之星”先后创造了2 9 2k m h 和3 2 1 5 k m h 的 中国铁路最高线路试验速度记录，表明我国高速列车的研制已取得突破性进展。 尽管如此，与先进国家相比我们还存在很大差距，我国铁路提速还有很大的潜 力可挖。 历史实践经验证明制动技术是影响列车提速的重要因素，列车的制动装置 及制动方式是保证列车安全运行的关键问题之一【i 】1 2 】【3 。随着列车速度的提高， 对保证车辆安全行驶至关重要的基础制动装置的性能提出了更加苛刻的要求 【4 1 。各国对此都进行了大量的研究。2 0 世纪初盘型制动机的成功问世，为高速 列车的实现提供了必要条件，盘型制动不但具有良好的摩擦性能，而且列车停 车平稳、制动距离短、维护方便。近些年，世界高速旅客列车基础制动均采用 盘形制动，某些国家在高速重载货物列车上也开始采用盘形制动装置【5 j 。我国 九十年代初开始研究盘形制动，对制动盘的材质、结构及制动闸片的材质作了 铁道科学研究院博士学位论文 大量的试验研究，取得了可喜的成绩。目前，我国盘形制动研究和应用已经有 了较大的发展，所有的双层客车、提速客车和准高速客车均安装了盘形制动装 置，经过近几年的运用考核，证明我国现有的盘形制动装置在1 6 0k m h 及其以 下速度的列车上应用已经较为成功，为研究高速列车盘形制动奠定了基础。 机车车辆的制动过程本质上是个能量转换的过程。盘形制动装置的作用是 将列车运动时的动能转化为热能，从而达到使列车减速或停车的目的。随着列 车运行速度的提高，动能急剧增加，制动时产生的热能也大大增加，巨大的制 动热负荷使制动盘产生很大的温度梯度，并e h 此产生热应力【5 】；而制动盘内部 常常由于制造工艺等原因，不可避免的会存在一定的缺陷，不均匀温度和应力 的循环作用使得微裂纹的产生成为可能。如果微裂纹在热疲劳等因素的作用下 扩展到一定程度，制动盘就会发生疲劳断裂。为了防止由热裂纹引起疲劳断裂， 制动盘体的材质必须具有好的抗热裂性、耐磨性、导热性和摩擦制动性能。高 强度合金锻钢常温和高温机械性能好，韧性好，抗热裂性能高，并且锻造工艺 性能好，是较理想的制动盘材料。为了提高耐热强度，结合我国实际工艺水平， 具有我国自主知识产权的“中华之星”、“先锋号”和“中原之星”均采用合金 锻钢制动盘，这使合金锻钢较好的耐热龟裂性和较高的延伸率在我国高速列车 上得到了充分的体现。 从合金锻钢制动盘在我国的具体使用情况看，“中华之星”和“先锋号” 的运行里程均超过了六十万公里，其装车运用的锻钢制动盘也经受了各种试验 工况条件的严峻考验，达到了研制的预期目标。但是在前期试验和长期使用过 程中，由于热疲劳、高温蠕变、高温氧化及磨损等复杂的外载效应作用，致使 制动盘发生龟裂、磨损和裂纹的扩展破坏。如果不加以监控，疲劳裂纹就有可 能扩展导致整个结构发生断裂，从而发生安全事故。可见，制动盘热裂纹对于 列车运行的安全危害性很大，直接影响着列车和旅客的人身财产安全，而目前 我国对高速列车锻钢制动盘缺乏完善的评估体系，因此对高速列车锻钢制动盘 热疲劳裂纹及其寿命预测进行研究已迫在眉睫，成为我国铁路相关部门所关心 和亟待解决的课题，因此，建立既精确又行之有效的高速列车锻钢制动盘寿命 预测方法及评估系统具有十分重要的理论意义和实际工程应用价值。本文就是 针对高速列车合金锻钢制动盘进行缺陷评定及寿命评估研究。 铁道科学研究院博士学位论文 1 2 国内外相关研究状况综述 1 2 1 制动盘的材料 列车制动盘材料必须同时具有以下三个方面的性能1 6 1 ：稳定的摩擦性能。 摩擦系数不随压力、温度、速度和湿度的变化而变化。良好的耐疲劳性能。 摩擦表面的急冷急热造成相当高的热应力，这要求材料具有极好的抗热裂纹扩 展能力。较高的耐磨损性能。对高速列车制动盘材料，要求其有很高的热容 量以利于制动能储存，同时具有良好的导热性以降低温度梯度，减少热斑形成 【3 】【”。 法、德、日、英等国在制动盘材料领域的研究走在了世界的前沿 8 - 1 | 】。上 述国家不仅对传统的铸铁( 钢) 和锻钢等摩擦制动材料进行了一系列的材料改进 和优化工作，而且还致力于开发传统制动盘材料之外的新型材料，如颗粒增强 铝基复合材料和碳碳复合材料【1 2 】，见表1 - 1 。 铸铁作为摩擦制动材料在列车制动装置中的应用，已有一百多年的历史。 在1 9 3 5 年法国列车开始以盘型制动装置代替闸片制动装置后，铸铁制动盘由于 制造方便、造价不高、综合性能良好而广泛应用于汽车、火车的基础制动中。 与铸铁制动盘同时使用的还有钢质制动盘。其中，铸钢制动盘从5 0 年代开始使 用，锻钢制动盘从8 0 年代开始使用。锻钢具有较高的强度( 8 0 0 m p a ) 和韧性， 同时还具有较高的抗热龟裂性、良好的耐磨性和耐热疲劳性，使用寿命长【l3 1 。 日本新干线和法国t g v - a 高速列车上得到采用，目前我国的高速列车“先锋号” 和“中华之星”使用的也是锻钢制动盘。 陶瓷颗粒增强铝基复合材料是以s i c 或a 1 2 0 3 等陶瓷颗粒为增强体、铝合 金为基体的新型材料。由于该材料既具有其陶瓷颗粒组份的高耐磨性、高硬度 f 强度) 及低膨胀系数的特点，又具有其基体组份铝台金的良好热传导性和低密 度的特点，因而在制动盘方面的应用得到了世界各国的广泛关注和研究，被认 为是高速列车制动盘钢铁材料的理想替代材料 1 4 儿”】。目前，陶瓷颗粒增强铝基 复合材料制动盘已进行了模拟制动试验，效果良好【l5 1 。 铁道科学研究院博士学位论文 表卜1各国正在使用和研究开发的制动盘 材料 强度比重研究的 特点 用途 分类材料名称 ( m p a )【g e r a 3 ) 国家 片状石墨铸摩擦特性稳 铁定、价廉 2 5 0 7 2 客车、动车世界各国 n r c r m o 摩擦特性稳 2 5 0 7 2 新干线动车日本 台金铸铁定、台金化 铁 铸 1 1 5 1 线动车、 系 铁 蠕虫状石墨高强度石墨形 5 0 0 7 2 英国、日本 铸铁状改变 客车 金 系 属 奥氏体等温高强度、热处 4 0 07 2正在研究日本 材 淬处理铸铁 理 料 铸铁、铸钢摩擦材料、强 2 0 0 5 0 07 2 7 8新干线动车日本 包层材料度材料复台 铸钢高强度耐热裂8 0 0 78 i c e 等日、德 钢系 新干线t g v 锻钢高强度耐热裂 8 0 078日、法、德 i c e 复 非金碳碳纤维 重量轻耐热裂 15 01 5 18 正在研制的日、法、德、 台 属系复合材料t g v 试用央 材 料 金属铝合会基复 重量轻耐磨3 0 02 9 正在研究开同、法、德、 系合材料发中英、美 碳纤维增强碳基复合材料简称碳碳( c c ) 复合材料，它具有较低的密度( 仅 为铸铁的1 5 ) 、优异的抗热冲击性和高温强度、在高速下具有较佳的高温摩阻 性能等特点。自八十年代以来，日本对碳纤维增强碳基复合材料( c c ) 制动盘进 行了大量的实验室实验，并在新干线上进行了装车试运行【i6 l ；同期，法国在下 一代t g v 高速列车上进行了c c 复合材料制动盘的装车实验【 1 。此外，英国 s a bw a b c o 公司已经研制出了碳纤维增强陶瓷基复合材料制动盘【l 引，用于法国 t g v - n g 高速列车。 近几年来，虽然国内有科技工作者对陶瓷颗粒铝基复合材料及碳碳( c c ) 复合材料进行相关研究【1 3 ，但由于国内技术储备薄弱，与国外发达国家相比， 在制动盘材料的开发研制方面具有一定的差距。e l 前，在国内高速列车制动系 统中使用和关注的仍是锻钢制动盘。 4 铁道科学研究院博士学 = i ) = 论文 1 2 2 制动盘热裂纹研究现状 材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低 于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后，最后也会导致破坏即疲劳破坏。 不同的外载荷造成不同的疲劳破坏形式，主要有机械疲劳、蠕变疲劳、热机械 疲劳、腐蚀疲劳、滑动接触疲劳和滚动接触疲劳等。机器和结构部件的失效大 多数是由于发生上述某一种疲劳造成的。自w 6 0 h l e r 将疲劳纳入科学研究的范 畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真f 机理与对其的科学描述 尚未得到很好的解决。 热疲劳导致破坏早在1 8 3 8 年就引起了t m c d u h a m a l 的注意，当时对该 现象的提法是“在热应力作用下材料的行为”。实际上热疲劳破坏是一个复杂的 力学损伤和组织蜕变过程，它包含在交变温度和交变热应力同时作用下的机械 损伤、组织蜕变和氧化腐蚀作用 1 9 1 2 0 1 。 普遍认为，列车制动盘摩擦面由于疲劳损伤而出现的裂纹形貌主要有两 种：( 1 ) 呈网状分布的“龟裂纹”，这些裂纹较浅，分布在制动盘摩擦面上。( 2 ) 制 动盘摩擦面上的径向裂纹，一般都比较长，这些裂纹数目不多，但发现时往往 较深，很容易导致制动盘的脆性断裂。 对热疲劳机理的解释，目前有强化和松动理论及位错理论( 2 。强化和松动 理论认为：金属材料的室温疲劳破坏是强化和松动相结合的过程。金属疲劳初 期( 即裂纹出现以前) 存在强化和松动过程，强化是主要的，在强化增加的同时 也产生金属松动。热疲劳时出现的强化特征主要有晶内滑移、晶粒破碎成碎块 等等；热疲劳金属密度的降低及晶内空洞的出现，则显示了金属急剧松动。该 理论有一定的实验基础，能较满意的解释一些室温机械疲劳破坏现象，但不能 完全解释热疲劳现象。实际上耐热材料的热疲劳机理比室温机械疲劳复杂的多， 因为在热循环中还存在发生组织变化或相变等组织变化特征。 位错理论认为疲劳损伤与晶粒内显微塑性变形有关。在热循环中，金属材 料反复塑性变形时，在晶内发生滑移，位错移动是沿着滑移面滑移的，滑移面 上移动的螺旋位错和滑移面相互交割，当位错通过后即出现空位。这种过饱和 空位在热力学上是不稳定的，通常情况下，结晶表面或晶界可作为空位的吸收 铁道科学研究院博士学位论文 源，空位在晶内扩散移动到达吸收源。随着空位的聚集和偏析，形成许多空洞， 空位过饱和浓度急剧降低最终会趋于稳定。这些空洞形成以后，不仅晶界可作 为吸收源，而且空洞也可以作为吸收源，造成空位被吸收的数量急剧增加。空 位在空洞处被吸收也就是空洞成长的过程。由于空洞急剧增多，若相邻空洞相 互接触，则造成空洞的扩大，空洞扩大成长速度也急剧增加，在这个阶段产生 微裂纹，最后扩展为宏观裂纹，对应着宏观破坏的发生。 文献2 2 认为，制动盘裂纹多为穿晶起裂，因此制动盘的热疲劳失效可以 用位错理论解释，也即在频繁的制动和缓解过程中，制动盘表面材料受到交变 热应变作用，在材料晶粒内发生位错滑移，在结晶表面或晶界等缺陷处聚集形 成空洞，空洞继续长大形成微裂纹，最后扩展为宏观裂纹 2 3 】 2 4 1 ，其裂纹多为穿 晶裂纹。 文献2 5 进行热失效分析后指出，摩擦面热影响层部位为残余周向拉应力 状态，是热疲劳裂纹萌生和扩展的主要应力条件；在摩擦面热影响层部位萌生 出的主裂纹垂直于周向应力，沿轮径向发展，疲劳断口较平坦并具有韧性断裂 的形貌特征。文献2 6 1 指出，制动盘热裂纹多出现在夏季，因为夏季热磨损比 冬季时大；但由热裂纹引起的制动盘断裂最常发生在冬季，这是由于在快速冷 却过程中发热的制动盘内会产生很大的拉应力，已有的热裂纹因凹口影响而使 制动盘断裂。 国外对列车制动盘热疲劳损伤机理研究主要有马氏体理论、高应变疲劳理 论和热疲劳理论等三种观点c 2 6 。三种理论基于损伤原因均由热疲劳所引起，很 难截然分开，而从断裂角度来看更是如此。当摩擦面热影响层厚度为o 2 m m o 5 m m 时，热疲劳应力将促进横向裂纹的萌生，裂纹扩展则以接触疲劳应力为 主【27 1 。主裂纹向内扩展时，热应力和组织应力减少，接触应力逐渐对裂纹的扩 展起主导作用，此时疲劳裂纹逐渐转向并出现二次裂纹。若摩擦面上热影响层 较厚时，疲劳裂纹的扩展以热疲劳应力为主，有可能使制动盘产生径向断裂， 将会严重危及行车安全。 日本的管原繁夫认为【28 1 ，由于制动盘面的温度急剧升降，制动盘摩擦面处 的残余拉伸应力不断积蓄、增大，当超过材料的断裂强度时就发生龟裂。这种 龟裂往往成为疲劳裂纹源，进一步发展时，热裂纹尖端的应力强度因子k 。超过 铁道科学研究院博士学位论文 材料断裂韧性值就造成了制动盘的断裂，如图1 - 1 所示。 图卜1文献 2 8 中制动盘失效准则 金属材料热疲劳试验主要试验装置和方法是板状缺口试样电热水淬法。这 种方法虽然简便易行，但试验条件难以保持稳定，试验数据波动较大，可信度 差，且试验条件与零件的工作条件相差甚远，难以对试样进行应力应变分析， 因此不能推算实际工作零件的热疲劳寿命，仅能粗略估算使用3 0 】。 1 2 3 制动盘温度场、应力场数值模拟 制动盘热裂纹严重威胁着列车运行安全，因此如何准确预测制动盘摩擦表 面的温度及温度分布成为研究制动盘表面磨损、金相转变以及裂纹的关键技术 内容 3 1 1 。计算机数值模拟技术的发展为列车制动盘的研究提供了新的方法和手 段，通过建立制动盘温度场、应力场的计算分析模型，完全可以在计算机上模 拟得到列车制动过程中不同制动工况、不同载荷类型以及不同结构形式制动盘 的瞬态温度场及应力场分布状况，为新型制动盘的开发和安全使用提供可靠的 理论依据。 在制动过程中，制动盘摩擦表面温度是典型的非稳态温度场问题，可用瞬 态热传导方程和由其几何及散热边界条件来描述。求解这类问题的方法一般有 铁道科学研究院博士学位论文 解析法、数值法和试验法。解析法仅适用于特别简单的几何形状和边界条件， 数值法是目前广泛使用的求解摩擦温度场的方法，其中常用的有差分法、有限 元法和边界元法。由于有限元比边界元法更适合一般情况且有成熟的软件，所 以在研究中得到广泛应用 3 2 1 34 1 。采用一般的有限元法计算制动问题时会产生数 值收敛性问题，为此必须沿运动方向划分较小的单元【3 ”，但由此会造成计算量 的增大，计算效率低。为了简化计算和降低计算成本，通常将热流边界条件看 成是轴对称的，从而使问题简化为二维轴对称问题1 3 6 。8 1 。但f l o q u e t a 的研 究表明这种轴对称的简化会导致错误的温度场和热变形 3 9 1 。1 9 9 4 年f l o q u e t a 提出有限元与快速傅立叶变换相结合的方法，从而解决了上述问题，并且用 这种方法模拟了通风式制动盘在制动过程中的温度场【4 0 】 4 1 。近些年来，p d u f r 6 n o y 等人对制动盘进行了三维温度场计算分析h 2 】 4 3 】1 4 ”，取得了一定的成 就。 由于紧急制动热量短时间内主要集中在制动盘表面，使得制动盘表面和心 部存在较大的温度差，从而导致盘体内产生很大的热应力，同时制动盘局部温 度可能达到金属相变温度，使金属发生相变，从而产生了相变应力。制动盘上 的热应力、相变应力以及各种机械应力等应力相互偶合，构成了盘的破坏应力。 由于制动盘应力方面的研究比较困难，目前尚处于探索阶段。研究表明，紧急 制动产生的热应力比其受到的摩擦力、正压力和离心力等机械应力大得多，也 比常用制动产生的热应力大的多【29 1 。另一方面，制动盘摩擦表面在瞬态热力 响应过程中还存在热弹性变形不稳定性，使局部温度和应力增高，进而在制动 盘表面出现压应力，远离摩擦表面的心部产生相互平衡的拉应力，随着制动过 程的进行，在制动盘盘体内形成拉压变化的循环内应力。此外，材料的屈服强 度由于温度升高而降低，不均匀的温度场所造成的内应力可能达到材料的屈服 极限，从而加速制动盘摩擦面局部区域产生塑性变形。当制动盘冷却到紧急制 动前的温度状态时，制动盘盘体内应力又产生新的平衡条件，并在摩擦面附近 形成了很高的残余拉应力。研究表明，经第一次紧急制动后制动盘内部就会产 生残余内应力，在后续的制动过程中应力状态会发生变化，当制动过程结束后， 制动盘仍然恢复到原来的残余应力水平，因此制动盘承受疲劳应力作用”5 儿“1 。 对于制动盘温度场和应力场分析，通常是将制动盘简化为二维模型或者是 铁道科学研究院博十学位论文 对原有结构进行简化，制动盘材料的导热系数、对流换热系数、弹性模量等参 数作为常数来考虑，这样求解结果只能对制动盘温度场和应力场进行大致的插 述。这些温度场和热应力场的分析结果，虽然对制动盘的设计和制造有一定的 借鉴作用，但从实际角度考虑是不够的，也不能为制动盘的断裂分析和寿命评 估提供有效的分析数据。 1 2 4 疲劳寿命评估方法及缺陷评定技术 疲劳寿命分析是研究疲劳的主要内容之一。1 8 5 2 18 6 9 年期间，德国工程 师沃勒( w 6 h l e r ) 对疲劳破坏进行了系统的研究，发现应力幅值的增加导致了疲 劳寿命的降低，并提出了利用疲劳寿命曲线( s n 曲线) 来描述疲劳行为的方法， 建立了疲劳极限这个概念，由此揭开了疲劳研究的序幕。18 7 4 年，德国工程师 h g e r b e r 开始研究疲劳设计方法，提出考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方 法。g o o d m a n 讨论了类似的问题。1 9 1 0 年，o h b a s q u i n 提出描述金属材料s n 曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环的双对数图在很大的应力范围内表现 为线性关系。1 9 4 5 年m a m i n e r 在j v p a l m g r e n 工作基础上提出疲劳线性累积 损伤理论，即l f c o f f o n 和s s m a n s o n 公式，随后形成了局部应力应变法。 由于材料疲劳研究的进展和6 0 年代初线弹性断裂力学开始应用于疲劳断 裂的研究，疲劳设计理论和方法发生了重要的变化，即从过去经典的安全应 力概念进人到以“损伤容限”为基础的断裂力学设计方法，并进入能预测疲 劳寿命和提供可靠性指标的阶段。而且由于材料疲劳性能研究的发展，近几 年世界发达国家都采用材料性能数据直截了当地预测构件的寿命，逐渐抛弃 以整机试验来确定寿命。 断裂力学的快速发展为含缺陷结构的安全评定奠定了理论基础，产生了诸 如c o d 曲线，r 6 和e p r ! 失效评定图等断裂评定规范，标志着缺陷评定技术 有了很大进展。 早期的缺陷评定技术是以线弹性断裂力学为基础的，即先通过计算或手册 查出实际含裂纹构件的应力强度因子k ( 对i 型裂纹，再与材料的平面应变断 裂韧度值k 。比较，若前者小于等于后者，则是安全的；否则构件将发生破坏 9 铁道科学研究院博士学位论文 【4 7 】【4 8 1 ) 。这种评定方法较简单，但仅能用于比较脆或以弹性方式失效的材料， 因而限制了它的直接应用。继1 9 7 1 年a s m e 将线弹性断裂力学应用于压力容 器缺陷评定之后，1 9 7 5 年国际焊接学会编制了以弹塑性断裂力学裂纹张开位移 ( c o d ) 半- i j 据为基础的缺陷评定方法一一w e e 3 7 方法。后来在英国、日本等国家 也都发布了一些以c o d 设计曲线为基础的缺陷评定规范。由于c o d 的理论基 础及定义都不够严密，给出的结果又过于保守，因而是以c o d 设计曲线为基 础的评定文件如英国的b sp d 6 4 9 3 4 9 】和我国的c v d a8 4 5 0 】一直未成为正式标 准，只是以指导性文件存在。 j 积分弹塑性断裂力学判据以其理论严密而受到人们重视。随着有限元计 算方法及电子计算机的应用，美国电力研究院( e p r i ) 给出一种基于材料弹塑 性断裂分析工程方法，简称e p r i 全塑性解 5 1 】。同时，他们在j 积分的基础上 建立了失效评定图p ”。英国中央电力局( c e g b ) 1 9 7 6 年发表了题为含缺陷结构 的完整性评定的r 6 方法 53 1 ，也采用了失效评定图技术。但该失效评定图中的 失效评定曲线理论上不严格，只能看作一个经验关系式。后来在吸收美国e p r i 方法成果的基础上，1 9 8 6 年c e g b 发表了r 6 第三版【5 ，即新r 6 法。目前， r 6 失效评定图技术仍在不断完善，9 5 版的附录已增至1 4 个。r 6 失效评定图 技术在考虑热应力和残余应力及约束效应等影响的缺陷评定技术方面也已取得 了不少成果。 综观近三十年来各国缺陷评定规范的发展可以看出：一方面，建立在j 积 分基础上的r 6 失效评定技术已成为各国缺陷评定规范趋近的焦点。一些原先 采用c o d 设计曲线的缺陷评定规范纷纷改用失效评定图技术，如英国的b s p d 6 4 9 3 【55 已彻底修改，将原来c o d 设计曲线法降为初级评定方法，而高级评 定采用r 6 通用失效评定曲线；原先采用c o d 设计曲线的国际焊接学会的缺陷 评定规程不但也已r 6 化了，而且还采用了失效评定曲线法的参量k r s r 建立筛 选准则，由k r s r 的比值判断失效模型，进行安全评定，而在b s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 标准中，提出用坐标点( s r ，k r ) 在裂纹评定图( f a d ) 中的相对位置对具有 裂纹的制动盘进行安全评定【56 1 。失效评定曲线的思想已被a s m e 规范所接受。 铁道科学研究院博士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 基于上述研究背景，预防和减少灾难性疲劳事故发生是本文研究锻钢制动 盘疲劳寿命的目的。本文对高速列车合金锻钢制动盘的缺陷评定和寿命评估进 行相关研究的主要内容有： ( 1 ) 对“中华之星”及“先锋号”制动盘热裂纹现状进行调查，摸清高 速列车制动盘裂纹特征及分布规律，分析影响制动盘裂纹扩展的主要因素。 ( 2 ) 研究疲劳裂纹扩展的基本规律。分析材料的线弹性断裂机理，并对 疲劳裂纹的扩展方向和扩展速率进行研究。 ( 3 ) 对合金锻钢制动盘材料进行室温和高温拉伸试验，确定制动盘材料 在不同温度下的力学性能参数。用断裂力学方法进行制动盘疲劳裂纹扩展速率 以及断裂韧度k ，试验研究，确定锻钢制动盘的裂纹扩展速率、断裂韧度等断 裂参量。 ( 4 ) 采用计算机模拟技术对锻钢制动盘在紧急制动工况下的温度场及应 力场进行数值分析：用1 ：1 摩擦制动试验台对制动盘进行性能试验，试验结果 与温度场数值模拟结果进行对比。 ( 5 ) 分析构件寿命评估的常用方法，研究制动盘缺陷评定及寿命预测的 方法和原理，运用工程断裂力学理论和方法建立锻钢制动盘裂纹的分析模型。 ( 6 ) 根据有关原理、方法及标准确定制动盘寿命评估方案，开发锻钢制 动盘寿命预测系统软件，供实际生产使用。 铁道科学研究院博士学位论文 第二章制动盘裂纹现状调查分析 2 1 引言 “中华之星”是最高运行速度为2 7 0 k m h 的动力集中式动车组，于2 0 0 2 年9 月至2 0 0 3 年3 月底完成联调、型式试验及考核，2 0 0 3 年4 月1 日起由沈 阳铁路局在秦沈线上进一步进行考核运行。目前，“中华之星”已运行了六十多 万公里。“先锋”号电动车组自2 0 0 1 年试制出厂后，经过铁道科学研究院环行 线、广深正线及秦沈客运专线动力学、牵引、制动、安全等方面性能的综合试 验后，在秦沈客运专线上完成了五十多万公里运行考核试验。图2