（机械设计及理论专业论文）rd2型车轴过盈配合损伤分析研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在许多机械设备中普遍采用过盈配合来传递轴向力和扭矩，这种配合结构 简单，定心精度好，联接强度高，可承受扭矩、轴向力或两者复合的载荷，承 载能力高，在冲击、振动情况下仍然能够较可靠地工作，铁路轮对中车轴车轮 联接就是典型的过盈配合联接。在轮轴过盈配合中，车轮轮毂内径的最大尺寸 小于轴外径的最小尺寸，装配后，由于结合面上产生阻碍零件相互位移的结合 力，而使轮轴相互抱紧。理论上车轮和车轴通过过盈配合紧密连接成一个整体， 但是在实际使用过程中，发现车轴轮座部位存在微动损伤和疲劳裂纹，疲劳裂 纹对轮座的疲劳强度影响非常大，裂纹一旦萌生并扩展，将可能导致车轴的断 裂，严重影响行车的安全。 本文以r d 2 型车轴与整体辗钢轮组装而成的货车轮对为研究对象，介绍了 目前国内外轮对压装的基本方法与压装参数的选择；对车轴进行了受力分析， 计算了r d 2 车轴的弯曲应力，并对车轴轮座部位进行了强度计算；结合受力分 析和微动理论对轮轴配合面损伤机理进行了分析和研究。 首先，介绍了轮对压装的工艺流程，将国内外对轮对压装的过盈量和压装 力要求进行了汇总和比较，并从过盈量、压装力、形状公差、表面粗糙度及轮 对装配工艺几个方面讨论了压装参数对轮轴配合面损伤的影响。 其次，对车轴进行了受力分析，计算了r d 2 型车轴的弯曲应力，对r d 2 型车 轴轮座进行了强度计算，并将中国铁路标准t b t 2 7 0 5 1 9 9 6 的计算结果和日本标 准j i se 4 5 0 1 1 9 9 5 的计算结果进行比较。结果表明，用j i se 4 5 0 1 1 9 9 5 中的计算 方法，r d 2 原型车轴轮座可以满足强度要求，但是厂修后的车轴轮座部位不能 满足强度要求。 最后，从车辆段现场取回实物车轴，采用原位剖切的方法将车轴与轮毂配 合分离直观的观察了轮座表面损伤的基体特征，结合对配合面的力学分析和显 微观测表明：在复杂的载荷作用下，r d 2 型车轴轮座车轮轮毂接触边缘发生复 合微动；配合面的二个接触边缘存在一个宽度约2 0 m m 环状磨损区域并伴有微 裂纹的形成，符合微动疲劳磨损机制。本章最后简单的评述和比较了现有的车 轴抗微动损伤的措施，并进一步提出了自己的建议。 关键词：r d 2 型车轴；过盈配合；微动损伤； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a sac o m m o nm e t h o dt oa s s e m b l em e c h a n i c a lp a r t s t h ei n t e r f e r e n c e f i t t e d j o i n ti su s e df o rt o r q u ea n d a x i a lf o r c et r a n s m i s s i o n a l t h o u g ht h i ss t r u c t u r ei s s i m p l e ，t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e s ：h i g hc e n t e r i n gp r e c i s i o n ，h i g hj o i n ts t r e n g t h ， h i g hc a r r y i n gc a p a c i t y ，a n dh i g hr e l i a b i l i t yi ns h o c ka n dv i b r a t i o nc a s e w h e e la n d a x l ej o i n ti sat y p i c a li n t e r f e r e n c e - f i t t e dj o i n ti nr a i l w a yw h e e ls e t t h e o r e t i c a l l y i n t e r f e r e n c e f i t t e da x l ew i t ht h ew h e e li sc l o s e l yc o n n e c t e d b u tt h e r ei sf r e t t i n g d a m a g ea n df a t i g u ec r a c k so nw h e e ls e a ta c t u a l l y , t h ef a t i g u ec r a c k sm a yl e a dt o a x l ef r a c t u r e t h ed r i v i n gs a f e t yw i l lb ei n f l u e n c e d i nt h i sp a p e r ，w h e e ls e tw h i c hi sa s s e m b l e db yr d 2t y p ea x l ea n dm o n o b l o c s t e e lw h e e li st a k e na sar e s e a r c ho b je c t t h eb a s i ct e c h n i q u ea n dp a r a m e t e r so f w h e e ls e ta s s e m b l i n ga r ei n t r o d u c e d f o r c ea n a l y s i so fa x l ei sc a r r i e do u t t h e b e n d i n gs t r e s so fr d 2a x l ea n dc a l c u l a t e dt h es t r e n g t ho fw h e e ls e a ta r ec a l c u l a t e d c o m b i n e dw i t hs t r e s sa n a l y s i sa n df r e t t i n gt h e o r y , s u r f a c ed a m a g em e c h a n i s mo f w h e e l a x l ei n t e r f a c ei sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e d f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h et e c h n i c sp r o c e s so fw h e e l a x l ea s s e m b l y ，a n d c o m p a r e dt h er e q u i r e m e n t so fi n t e r f e r e n c ea n dp r e s s u r eb e t w e e nd o m e s t i ca n d a b r o a d t h ei n f l u e n c eo fs u r f a c ed a m a g eo nw h e e ls e ti sd i s u c u s s e di ni n t e r f e r e n c e ， p r e s s u r e ，f i g u r e ，t o l e r a n c e ，s u r f a c e n e s sa n da s s e m b l yt e c h n i c s s e c o n d l y , f o r c ea n a l y s i so fa x l ew a sc a r r i e do u t ；b e n d i n gs t r e s so fr d 2a x l e a n dt h es t r e n g t ho fw h e e ls e a ta r ec a l c u l a t e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa c c o r d i n gt o t b t2 7 0 5 - 1 9 9 6a n dj i se 4 5 0 1 - 1 9 9 5w e r ec o m p a r e d i ts h o w st h a tu s i n gt h e c a l c u l a t i o nm e t h o di nj i se 4 5 01 19 9 5 t h ef a t i g u es t r e n g t ho nw h e e ls e a to ft h e n e wa x l ec a nb es a t i s f i e dw i t hs t r e n g t hr e q u i r e m e n t ，b u tt h ef a t i g u es t r e n g t ho n w h e e ls e to ft h er e p a i r e da x l ei sn o tq u a l i f i e d f i n a l l y , i no r d e rt oa v o i da na d d i t i o n a ld e g r a d a t i o no fs u r f a c ec a u s e db yt h e c l a s s i cm e t h o do fw h e e l a x l ed i s a s s e m b l e dw i t hp r e s s ，a ni n s i t uc u t o f fo ft h e w h e e li sp e r f o r m e d ，a n dt h ew h e e l a x l ej o i n ti ss e p a r a t e dt od i r e c t l ye x a m i n et h e d a m a g eb e h a v i o ro ft h ec o n t a c ts u r f a c e m i c r o s c o p i ce x a m i n a t i o n si nc o m b i n a t i o n w i t hm e c h a n i c a la n a l y s i ss h o wt h a tc o m p o s i t ef r e t t i n gi so c c u r r e da n dt h e r ea r et w o c i r c u l a rw o r nz o n e so fa b o u t2 0 m mi nl e n g t ha tt h ee d g e so ft h ei n t e r f a c e ， a c c o m p a n y i n gw i t hs o m em i c r o - c r a c k s t h ed e g r a d a t i o nf e a t u r ec o r r e s p o n d e dt o t h em e c h a n i s mo ff r e t t i n gw e a ra n df a t i g u e c u r r e n tp a l l i a t i v em e a s u r e sa g a i n s t f r e t t i n gd a m a g eo ft h ea x l eh a v eb e e nr e v i e w e da n ds o m es u g g e s t i o n sh a v e b e e n p u tf o r w a r d k e y w o r d s ：r d 2a x l e ；i n t e r f e r e n c ef i t ；f r e t t i n gd a m a g e ； 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密必，使用本授权书。 学位论文作者签名：舀萝噘 日期：如只r 以 。韧吁参 日期： 砂f p ，毛。 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 对材料为4 0 钢的r d 2 型车轴轮座进行了强度计算，并将中国铁路标准 t b t 2 7 0 5 19 9 6 中的强度结果和采用j i se 4 5 0 1 中的计算方法得出的结果进行了 比较和分析，结果表明，采用j i se 4 5 0 1 中的计算方法，r d 2 原型车轴轮座部位 安全系数为1 0 8 6 1 ，可以满足强度要求；厂修后轮座部位安全系数为o 9 8 8 1 ，不能满足强度要求，因此4 0 钢材料的r d 2 型车轴厂修后轮座部位的实际应力 大于车轴材料的许用应力，此分析内容为国内标准的进一步更新和修订提供参 考( 详见第三章) 。 2 对r d 2 型车轴的实物轮对的轮轴配合面进行了损伤分析，为了避免以往 用高压退轮的方法给车轴轮座带来的二次损伤，本文国内首次采用原位剖切的 方法，将车轴与车轮配合分离来观察分析车轴轮座表面损伤的基体特征，保存 了表面损伤的完好性，提高了分析的准确性。 结合力学分析和微动理论分析可知，车轮轮毂与车轴轮座两侧接触边缘分 别存在一个环形的磨损区域，磨损表面有红色和黑色的氧化磨屑，车轴磨损区 域伴随有微裂纹。轮轴微动主要是由弯曲载荷引起的交变应力和装配接触压力 的共同作用所致。轮座损伤包含了由弯曲载荷引起的微动损伤和压装过程中的 压装损伤。损伤类型为粘着、氧化和疲劳。分别计算了轮座内侧和外侧的弯曲 应力，在车轴的各项载荷中，横向动载荷对轮座内侧弯矩影响最大，静载荷对 轮座外侧产生的弯矩影响最大；轮座内侧弯曲应力比轮座外侧弯曲应力大是造 成轮座内侧比轮座外侧易于产生微动损伤和微动疲劳的主要原因之一( 详见第 四章) 。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：瑾始 日期：纠d f 以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 过盈配合是指利用过盈量使包容件和被包容件紧密接触的一种配合方式。 在过盈配合中，包容件内径的最大尺寸小于被包容件外径的最小尺寸，装配后 被包容件的直径被撑紧变大，包容件的直径被挤压变小，两者的变形使配合面 间产生径向压力，工作中依靠由径向压力派生的摩擦力来承担载荷。在许多机 械设备中普遍采用过盈配合来传递扭矩和轴向力，这种配合结构简单，定心精 度好，联接强度高，可承受转矩、轴向力或两者复合的载荷，而且承载能力高， 不需要附加其他零件就可以实现包容件和被包容件的周向和轴向固定，在冲击、 振动载荷下也能够较可靠地工作。过盈配合广泛用于重型机械、起重机械、船 舶、机车及通用机械中【lj 。 铁路机车车辆的车轴与车轮的连接就是采用过盈配合，在运行过程中，轮 对受到交变载荷、扭转载荷、振动等众多因素的作用，车轴与车轮过盈配合表 面存在微动磨损和疲劳裂纹等损伤【2 】。日本的研究表明 3 】，车轴上9 0 以上的 破坏发生在过盈配合面，大部份的破坏是由于配合面出现了磨蚀和磨损裂纹而 引起的，而由磨损引起的的破坏8 6 是发生在轮轴过盈配合面。目前国内外学 者在轮轴过盈配合面的强度上进行了大量研究，普遍认为配合面上的损伤对车 轴轮座的疲劳强度影响重大【4 1 1 1 。随着我国国民经济建设的发展，作为国家大 动脉的铁路发挥着越来越大的作用，铁路运输同时承担着客运与货运的重任， 同时经济的快速发展也对铁路交通运输提出越来越高的要求。目前我国列车在 重载、高速方向不断取得突破，车辆的轴重也大幅度增加，这对铁路运行过程 中的可靠性和安全性带来了巨大的挑战，轮轴配合面损伤问题已成为了我国铁 路事业快速发展中迫切需要解决的问题之一。 1 1 微动的基本概念 微动是二个接触表面之间的极小振幅( 微米量级) 的周期性的相对运动【1 2 】， 通常发生在“近似紧固”或“紧密”的机械配合件中，如采用过盈配合的连接 件。微动运动必须满足3 个必要条件：( 1 ) 两接触表面；( 2 ) 承受振动工况； ( 3 ) 极小的运动振幅。 微动造成的损伤通常表现为两个方面【1 3 】：( 1 ) 表面磨损：微动可以造成接 触面间的摩擦磨损，产生材料损失和构件尺寸变化，引起构件松动、功率损失 等；( 2 ) 疲劳裂纹：微动可以加速裂纹的萌生和扩展，使构件的疲劳寿命大大 降低，继而在交变应力的作用下引起构建整体疲劳断裂。 根据简单化的球平面接触模型，按不同的相对运动方向，微动具有4 种基 本运行模式【1 4 】( 如图1 1 所示) ，即：( 1 ) 切向微动，或称平移式微动；( 2 ) 径向微动；( 3 ) 滚动微动；( 4 ) 扭动微动。 塑童耋堡查耋垩圭垒窒兰兰堡堡兰薹：至 1 9$ 9 a ) 切向微动 r 1 一 9 b ) 径向微动c ) 藏动微动d ) 扭动礅动 固1 1 微动运行的4 种基本模式示意图【1 在微动摩擦学领域，按照损伤类型，微动可以分为以下3 种类型【l ”： ( 1 ) 微动磨损( f r e t t i n g w c a r ) ：指接触表面的相对位移是由外界振动引起 的微动，接触构件只受局部接触载荷，或者承受固定的预应力( 如拉、压、弯 曲应力等) 。 ( 2 ) 微动疲劳( f r e t t i n gf a t i g u e ) ：是指接触表面的相对运动是由一接触体 承受外界交变疲劳应力引起变形而产生的微动。 ( 3 ) 微动腐蚀( f r e t t i n gc o r r o s i o n ) ：是指在腐蚀性介质( 如海水、酸雨、 腐蚀性气氛等) 中的微动。 微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀并不是3 种损伤机制，而只是微动的3 种 类型。损伤机制主要有两种，即微动导致的磨损和微动导致的癌劳。微动损伤 是微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀造成的材料表面磨损和疲劳的统称1 1 5 1 12 磨损的主要类型 磨损的分类方法很多，由于机械构件的摩攘磨损是一个复杂的过程，每一 起磨损可能涉及到不同材料和型式的接触表面、各种环境介质、载荷特性等， 这就造成了磨损分类上的交叉现象，至今还没有形成完全统一的分类方法。目 前较通用的是按磨损机理来划分，主要把磨损划分为六种主要形式i “) ：粘着磨 损，疲劳磨损，磨粒磨损，冲蚀磨损，腐蚀磨损和微动磨损。 121 粘着磨损 当两接触表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂， 被剪切的材料脱落成磨屑或者由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损统称为 粘着磨损。粘着磨损的表面的典型特征是出现麻点、鳞尾或锥刺”7 1 。 粘着磨损实际上是相对运动的摩擦表面间园直接接触，在真实接触面积上 发生的金属流失。宏观光滑的表面从微观角度上是粗糙的表面，两个平滑的表 面相接触，实际上是在两表面最高的微凸体上发生接蚀。如果接触载荷较大， 实际接触的微凸体上的局部应力就非常之高，当超过了材料的屈服应力，微凸 占 二 9二岳吉a ，目 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 体将发生塑性变形，直到实际接触面积增加到足以承受外载荷位置。如无表面 膜，两表面将发生粘结。当两接触表面作相对切向运动时，在滑动中粘结点破 坏，同时又有另外一些接触微凸体接触并发生粘着，如此循环反复过程构成了 材料的粘着磨损【1 8 】。 1 2 2 磨粒磨损 。 外界硬颗粒或对磨表面上的硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的现 象，称为磨粒磨损。磨粒磨损的表面会出现擦伤、沟纹和条痕【l7 1 。 磨粒磨损般有两种情况，第一种情况是两体磨粒磨损，两个摩擦表面中 硬度较高者充当硬质体，机械加工的磨削，车削就是这种情况。第二种情况是 三体磨粒磨损，两个表面中有第三物体充当硬质体，这类物体通常是夹持在两 表面之间的小颗粒，它们通常硬度很高，使一个或两个表面都产生磨损，研磨 和抛光就是这种类型。在大多数情况下，滑动开始阶段的磨损是粘着磨损，表 面上聚集起磨粒之后就会引发三体磨粒磨损【l8 1 。 1 2 3 疲劳磨损 两个接触表面作纯滚动或滚动兼滑动复合摩擦时，在高的接触应力的作用 下，经过数次应力循环，在接触表面的局部地区产生小块材料疲劳剥落形成凹 坑，这种磨损就称为疲劳磨损。疲劳表面的典型外观是零件表面出现疲劳裂纹 和点蚀，或有较大面积的表面剥落【l 。 疲劳磨损不仅存在于滑动，而且普遍存在于滚动接触、微动等运动形式之 中。在疲劳磨损过程中，除去承受交变载荷外，材料表层还经受复杂的摩擦过 程，导致表层一系列的物理化学变化。疲劳磨损的过程主要表现为材料表层塑 变的积累、微裂纹的形成和颗粒的脱离等三个阶段【l9 1 。摩擦副滑动表面上的微 凸体发生接触时，磨损以粘着磨损或是磨粒磨损的形式发生，但同样有可能存 在这样的现象：微凸体没有粘着或磨削，只是滑动后在微凸体上留下塑性变形。 如果表面变形持续发展下去，就会在表面内形成裂纹。而一旦有裂纹发育成核， 后续的载荷和变形将引起裂纹的扩展，这样的接触经过某临界次数后，微凸体 将发生剥离而成为磨损碎片，形成磨屑。当摩擦副之间的运动为纯滑动时，最 大切应力出现在表面上，这也会使裂纹从表面开始，导致表面疲劳【”】。 疲劳磨损在失效过程和表现形式上和整体疲劳有相似之处，但是，裂纹起 源方位、疲劳极限等方面有较大差异，更主要的是，由于表层塑变、组织变化 和磨损等的影响，其接触应力等方面的计算比整体疲劳要复杂的多【19 1 。 1 2 4 腐蚀磨损 两物体发生摩擦时，在腐蚀性的气体或液体的环境中，材料表面会发生化 学反应，形成腐蚀产物。这些化学反应的产物通常与表面粘附的不牢，因而继 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 续摩擦会使它们分离，然后新的表面又继续发生反应。这种腐蚀和磨损的反复 过程称为腐蚀磨损。由此可见，腐蚀磨损是腐蚀与摩擦相结合的现象。腐蚀磨 损极为复杂，受腐蚀和磨损综合作用。当腐蚀成为磨损的主要原因时，通常是 由几种机理合成的相互作用。表面膜原有的磨损可能是粘着磨损，也可能是磨 粒磨损。由于许多常见的表面膜，尤其是氧化物通常都是磨料，因此腐蚀磨损 和磨粒磨损一般会同时发生。如果接触应力高，则会局部地增加腐蚀作用，从 而引起点蚀【l 引。 氧化磨损是腐蚀磨损的一种，当潮湿空气中或润滑剂中的氧进入摩擦副表 面时，会在金属表面形成氧化膜，随着摩擦副的相对运动，氧化膜会被破坏又 露出新鲜的金属表面。氧化磨损的机理就是氧化膜的形成、破坏、再生与再破 坏的周而复始的过程。如钢摩擦副相互滑动的氧化磨损形成的磨屑主要是红棕 色的f e 2 0 3 组成和灰黑色的f e 3 0 4 ，因氧化膜在钢上的生成速度随时间成指数规 律下降，因此如磨损速度小于氧化速度，则氧化膜对构件表面起保护作用，反 之则表面磨损加剧【l 引。 1 2 5 微动磨损 两个配合表面之间由微动所引起的表面损伤，包括材料损失、表面形貌变 化、表面或亚表层塑性变形或出现裂纹等，称为微动磨损【l 引。 微动磨损可以分为两类【l6 j ： 1 原设计的两物体接触面是静止的，由于受到振动或交变应力作用，使两 配合面之间产生微滑，由此造成材料的损伤。这种情况下损伤的主要危险是接 触处产生微裂纹，降低构件的疲劳强度，其次是因材料损失造成配合面松动， 松动又可能加速磨损和疲劳裂纹扩展。铁路轮轴过盈配合损伤就属于这一类。 2 各种运动副在停止运转时，由于环境振动而产生微动造成磨损。主要危 害是因磨损造成表面粗糙度和磨屑聚集使运动阻力增加或振动加大，严重时可 咬死。 微动磨损是一个非常复杂的过程，包括粘着、氧化、磨粒和疲劳等的综合 作用f 1 6 】。目前微动磨损理论都是在切向微动模式下建立的【h 】。 1 3 铁路轮轴过盈配合面损伤概述 轮对是机车车辆的关键部件之一，它由一根车轴和一对车轮通过过盈联接 组合而成，轮对中过盈配合部位即为车轮轮毂和车轴轴座的配合面。轮对承受 机车车辆的全部重量，其中，车轴是直接关系到铁道车辆行车安全的最重要部 件之一，它的断裂将导致车辆脱轨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 1 铁路车轴的断裂 车轴的早期断裂失效形式主要有两种【2 0 】：热切和冷切。热切本质上是由于 轴承的工作失效、发热，导致车轴强度下降、变形、缩颈、拉长、拧成锥形麻 花状而断裂。因此，热切的原因和轴承直接相关，而与车轴本身没有关系。防 止热切的重点应放在轴承质量的提高方面，防止轴承发生故障和失效原因等上。 冷切本质上是车轴某些质量指标未达到规定的要求或外部的条件超过了额定的 允许值而引发裂纹，裂纹扩展最终导致断裂。冷切发生的原因以及整个断裂过 程都和车轴本身密切相关。冷切断裂的机理是车轴薄弱区域在交变载荷的作用 下，疲劳累积损伤达到一定程度后，诱发疲劳裂纹，进而裂纹扩展，最后导致 断裂。车轴的冷切可以说几乎都是疲劳断裂，如果车轴的某个区域有缺陷或损 伤，那么车轴就更容易萌生裂纹，该部位的疲劳寿命缩短，因而车轴的使用寿 命也被缩短，这是极端危险的。 在1 9 世纪后半叶的5 0 年中，欧洲曾因车轴疲劳断裂而引起的脱轨事故导致 数百人丧生。在俄罗斯，仅19 9 3 年在运用的约2 2 0 万2 5 0 万根车轴中，因发现 疲劳裂纹而报废的就达6 8 0 0 根。在日本新干线使用的所有车轴，运行4 5 万k m 后， 用磁粉探伤仪行检查，每年进行磁粉探伤的车轴总数约2 万根【2 1 1 。在国内从 1 9 7 4 年以来，全路发生车轴冷切1 0 0 余起，其中约3 0 发生在车轮车轴压装配 合面，即发生在车轴轮座部位，而货车车轴冷切次数占总数的9 5 以上，车轴 轮座部位的冷切实质上就是微动疲劳破坏。 1 3 2 轮轴配合面微动损伤 铁路车轴的过盈配合部位为疲劳磨损易发生的危险部位，如轮座、齿轮箱 座和制动盘座等。微动损伤主要发生在轮轴过盈配合面的接触区边缘，微动所 造成的表面损伤如表面形貌变化、产生氧化磨屑和表面凹坑、表面或亚表面塑 性变形或出现微裂纹，在交变应力作用下这些损伤可以引起裂纹的萌生和扩展， 导致部件疲劳强度降低甚至早期断裂。微动导致的微裂纹大大降低车轴疲劳强 度，据英国铁路公司统计，微动损伤使轴的疲劳强度降低4 2 t 2 2 】。 日本在四、五十年代，每年国铁机车车辆总有几根车轴折损，其中约4 0 是在轮轴过盈配合部位断裂，断裂的主要原因就是由于轮座部位产生磨蚀和疲 劳损伤【5 1 。在国内，根据某厂对某型机车运行统计【23 1 ，大修车退轴探伤统计中 9 3 的车轴轮座内侧( 靠近车轴中心侧) 附近均有疲劳裂纹。资料表明【2 0 1 ，19 9 0 年1 2 月8 5 51 号d 在轮座内侧3 5 m m 处发生断裂，失效分析表明车轴断裂的主 要原因是由于轮座内侧镶入部表面因微动氧化而形成腐蚀坑，在外加应力的作 用下，腐蚀坑萌生横向微裂纹，微裂纹逐渐扩展连接成宏观裂纹，宏观裂纹继 续沿轴横截面扩展造成车轴断裂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ! i ；i _ 一一一一_ 一i ii_ i 皇曼曼皇曼曼 1 4 影响轮轴配合面微动损伤的因素 微动损伤的影响因素颇多，涉及到多个学科，如力学、物理、化学和材料 学等。国内外学者对微动损伤的影响因素进行了长期实验分析和研究。 c o l l i n sja 【2 4 】认为，在微动过程中起作用的参数非常多，可能超过5 0 个， 主要有接触压力、位移幅值、频率、接触形式、表面状态等机械参量和材料性 质。 d o b r o m i r s k i 【2 5 】认为和摩擦系数、位移幅度和接触压力有关，其中摩擦系 数是影响微动损伤的最主要因素。 w a t e r h o u s e 2 6 将其分成3 个范畴，即力学( 接触压力、位移幅、频率、随机 载荷、平均应力等) 、物理( 材料响应、表面状态、接触集合等) 和环境条件( 温 度、气压、湿度、环境介质等) b e r t h i e r 2 1 7 】认为影响微动的主要因素有8 个：( 1 ) 微动表面间相对运动幅 值的大小；( 2 ) 微动接触表面的压力大小和压力分布；( 3 ) 微动接触表面区 域内的应力状态；( 4 ) 微动循环次数；( 5 ) 两微动构件间的相对运动的循环 频率；( 6 ) 两微动摩擦副所用的材料及表面状态；( 7 ) 微动表面周围的大气 环境；( 8 ) 两微动接触表面的温度； 刘伟等人【2 8 】认为主要有三方面的因素：( 1 ) 材料本身的机械和化学性能， 在磨损行为中起主导作用；( 2 ) 振幅、频率和接触应力，其中尤以接触应力影 响最大；( 3 ) 外部环境的温度、湿度、空气成分等，它们的影响较为复杂。 影响铁路轮轴微动损伤的因素非常多，如载荷、轴重、车轴与车轮的材料 ( 决定轮轴的相对刚度) 、车轴尺寸、轮对压装参数、轮轴的匹配等等均强烈影 响着车轮车轴接触界面的微动类型和微动损伤的程度。 1 5 课题的研究现状 有关资料表明，磨损和疲劳大幅度的减少轮轴配合面的疲劳极限【2 1 1 ，该部 位产生的微裂纹对车轴的安全性起着决定性的作用。目前，国内外的研究内容 主要集中在如何减缓轮轴过盈配合面的微动损伤上，如表面处理技术【2 8 3 6 1 及设 计的改进 2 2 , 3 7 】，还有断轴的失效分析上 3 s , 3 9 。 1 5 1 国内外轮轴微动损伤的研究现状 国外很早就对轮轴过盈配合面的磨损和疲劳强度进行了研究，德国的韦勒 w o h l e r 于l8 5 0 年就开始进行旋转轴疲劳实验，研究车轴的磨损和疲劳，以调查 当时一系列车轴断裂的起因。a a r 在2 0 世纪3 0 年代、4 0 年代和5 0 年代做了大量 的实物尺寸车轴疲劳试验【8 ，4 们。随后，日本和其它国家也进行过很多相关的试 验研究 3 - 1 1 , 1 9 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 日本学者认为车轴轮座是车轴中最危险的部位。1 9 6 5 年3 月，日本住友金属 工业株式会社铁道技术研究所安装了一台实物轮对疲劳试验机，在运行载荷的 条件下，在实物车轴上进行恒定振幅载荷的疲劳试验，研究了不同轮座形式和 不同热处理工艺的轮座磨损情况和疲劳强度【3 j 。19 8 6 年3 月，为了研究我国车轴 的疲劳强度及其改进方法，铁道部与日本住友金属工业公司协商在住友的车轴 疲劳试验机上进行轴的疲劳试验，通过实物轮对模拟试验，测量出我国r d 2 型 车轴的车轴车轮的轴向相对滑移幅度为2 7 , - - 6 3 “m 【4 1 1 ，进一步验证了微动的存 在。由于车轴在实际运行过程中承受的是交变载荷，交变载荷的反复作用影响 着轮轴配合面损伤的累积。因此，1 9 9 5 年日本的磺村修二郎对设置在住友金属 工业株式会社关西制造所的实物车轴疲劳试验机进行了改造，使其能进行变动 负荷的加载试验，首次采用变动载荷对实物车轴疲劳强度进行了研究【4 2 1 。 目前国内的研究还是主要集中在对断轴的失效分析上【2 0 , 3 8 】，对抗轮轴微动 的表面处理【2 9 , 3 0 , 3 4 和车轴的疲劳强度也展开过研究【2 0 , 2 8 】。如，刘伟等人【2 8 1 利用 模拟轮对轮毂和轴的接触表面进行了微动损伤实验，发现试验轴磨损面有塑性 流变、蚀坑和加厚的氧化层，在接触面的应力集中部位有疲劳裂纹。但国内的 模拟试验研究都是在车轴小试样上进行的，还未对实物车轴进行模拟实验。由 于配合部位的疲劳强度的尺寸效应很大，用模拟试验轴测出的结果可能会和实 物车轴的实验结果差别很大。 1 5 2 国内外微动损伤的防护研究 对轮轴微动破坏问题，各国铁路部门进行了大量的试验和研究。目前国内 外还没有完全能够杜绝车轴车轮微动的方法，但是都一定程度上提高了轮轴配 合部位抗微动损伤的能力。 1 表面改性设计 在表面处理技术上主要是利用高频淬火、滚压强化和表面涂层等来减轻和 防止微动损伤。 ( 1 ) 滚压强化 车轴的表面滚压目的在于使其表面硬化和产生压应力层，以有利于提高其 磨损疲劳强度。大量微动疲劳试验研究显示，表面冷加工减少了裂纹的形成， 组织了早期裂纹的扩张，大大提高了微动疲劳强度【3 1 1 。例如，f i l i m o n o v 3 2 】研 究了表面滚压对大型轴的微动疲劳性能的影响，滚压的轴可以达到1o o 亿次循 环的工作需要，表面滚压大大提高了车轴的使用寿命；美国的h o r g e r 8 】等人利 用模型车轴和实物车轴进行了大量试验研究。试验表明，车轴在压装之前对轮 座部分进行表面滚压处理后，可以显著提高压配合车轴的疲劳寿命。我国戚墅 堰机车车辆工艺研究所经过数年研究证实，经滚压强化的车轴其疲劳强度可提 高5 0 以上【33 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 2 ) 表面热处理 表面热处理是通过钢表层快速奥氏体化并淬火得到马氏体组织的工艺过 程，它使表面的硬度和强度显著提高，同时产生残余压应力层。车轴进行高频 淬火后，在其材料的耐磨性得到提高的同时，疲劳强度也显著提高。例如：日 本高速列车车轴上采用高频淬火工艺来提高车轴的疲劳强度【18 】；法国高速铁路 采用x c 3 0 碳素钢调质后再加表面感应淬火处理代替过去采用的3 0 c r n i 3 合金 钢调质并滚压强化处理【3 。 ( 3 ) 热喷涂 热喷涂涂层是由喷涂并聚集在基体表面上的颗粒组成，喷涂的熔融颗粒在 与基体表面撞击接触的瞬间即被冷却，使得热喷涂涂层具有特定的层状结构及 颗粒碎化现象，无论裂纹出现在表面还是次表面，当它向涂层内部扩展时，更 容易沿着涂层中的层问颗粒边缘扩展。在何庆复 2 8 , 2 9 】等人的研究中，表明微动 磨损诱发层状复相组织涂层的塑性变形导致涂层的表层显著加工硬化，对涂层 抗微动磨损损伤产生重要作用，并通过实验研究得到热喷涂n i c r 涂层可以提 高车轴提高疲劳强度4 0 - 一5 0 以上。 德国高速铁路的车轴采用轮座喷涂m o 涂层，其余部位进行表面滚压强化。 因为m o 涂层具有高熔点、硬的氧化膜等特点，通过降低摩擦系数【3 2 】和应力松 弛【3 3 】来提高微动磨损和疲劳抗力。采用喷m o 的方法可以减轻轮座表面的微动 损伤，并且喷m o 涂层就有良好的抗擦伤性能，能防止轮轴装拆时拉伤轮座表 面，提高车轴的疲劳强度【3 引。对车轴热喷涂青铜，明显提高抗微动疲劳性能， 车轴的疲劳强度提高了5 0 以上j 。 2 改变轮轴结构设计 结构设计的简单改变，有时能收到很好的抗微动损伤效果，因为结构的简 单改变可以改变轮轴接触面的压力分布或相对微滑的幅度。 ( 1 )减载槽 在轴上增加减载槽，可以降低配合面端部的局部刚度缓解局部应力。日本 在车轴上设计应力释放槽，提高了车轴轮座处疲劳极限1 5 倍【2 l 】。由于应用应力 释放槽，日本新干线从未发生车轴疲劳断裂，如图1 2 所示。 a ) 常规设计b ) 应力释放槽设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 一 臼 以 占 r 剧 租 舯 l - i j至隼 放槽根目b 断裂 k l - - - - - - 土 - - 、 - - - ， - 、 _ _ - 、产1 k - - i 、鼍 释放槽 一 _l 、 一 d = 2 2 ，t = 5 0d = 2 2 ，t = 5 常规设计 1 0 01 0 7 循环次数n c ) 应力释放槽对车轴微动疲劳强度的影响 图1 2 车轴两相邻压装部应力释放槽2 1 】 ( 2 ) 突悬结构 结构上目前车轮与车轴装配普遍采用的是突悬结构，即轮毂内侧突出轮座 3 6 m m i j7 j ( 如图1 3 ) ，可以有效地减小轮对受载弯曲时因轮座与轮毂弯曲刚 度不一致产生的相对滑移，从而减轻微动磨损，延缓裂纹萌生的速度。采用轮 轴配合突悬结构时，车轴压装部位的疲劳强度提高了1o 左右【4 1 】；日本新干线 高速列车采用了内轮毂端悬臂装安装方法，减少了轮轴配合面的相对滑移量， 减轻了轮座的微动损伤，并使轮座部位的裂纹数大大减少，提高了轮座的疲劳 极限【5 1 。 a ) 无突悬b ) 突悬 图1 - 3轮轴突悬装配示意图 1 6 研究意义及内容 轮轴过盈配合面损伤的隐蔽性和长期积累性使其危害性加大。随着车辆向 高速、重载方向发展，轮轴配合失效的几率将增加。据北美铁路统计，当货车 轴重和车辆装载量增加时，车轴的疲劳失效也大幅度增加【4 3 1 。2 0 0 8 年1 0 月，由 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 于在i c e t 列车车轴上发现了大量的裂纹，德国国家铁路公司停开了7 0 的高速 列车。现今中国货车正逐步向高速重载方向发展，车轴的疲劳问题将会越来越 突出，对轮轴配合面损伤的研究对铁路运行安全具有重要意义。目前，国内外 的研究主要集中在对断轴的失效分析和轮轴配合面的微动损伤防护上，对轮轴 配合面损伤的机理研究很少。 本文结合轮轴组装方式、轮对受力分析和现场实物车轴的损伤观察对轮轴 配合面损伤的机理进行分析和研究，为进一步解决轮轴配合面损伤问题提供理 论参考。论文主要分为以下- 3 个部分： 1 介绍轮对压装的工艺流程，将国内外对轮对压装的过盈量和压装力要求 进行了汇总和比较，并讨论压装参数对轮轴配合面损伤的影响。 2 进行轮轴配合力学分析，计算r d 2 型车轴的弯矩和弯曲应力，并将用中 国铁标和日本标准强度计算方法的两种结果进行比较与分析。 3 从车辆段现场取回实物车轴，剖开轮轴直接观察车轴轮座表面损伤的基 体特征；结合轮轴配合面的力学分析和损伤的显微观测，分析复杂的载荷作用 下轮轴损伤的机理，并讨论轮轴配合面微动损伤产生的主要原因；评述和比较 现有的车轴抗微动损伤的措施，并进一步提出自己的意见和建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章轮对组装对轮轴配合面损伤的影响 车辆轮对，是指将同类型和同材质的一对车轮与一根车轴通过过盈配合组 装成的一个整体。它是机车走行部的重要部件，承受着车辆的全部载荷，决定 着车辆的最高运行速度。轮对在负重的条件下沿轨道运转，因此要求它能圆滑 地滚动并坚固耐用，车轴与车轮必须可靠联接，以确保行车的安全和稳定。 2 1 轮对组装过程介绍 2 1 1 轮对组装方法 铁路车轴与车轮是靠过盈配合来实现紧配合连接的，目前国际、国外标准 的轮对组装方式主要为热装和压装两种方式，而我国不仅有热装和压装，还有 注油压装。国外标准中没有注油压装，只有注油压退。 热装是利用加热相互配合中的某一零件( 如车轴或车轮) ，使过盈量暂时消 除，以便自由地完成两者的组装，待回复至室温后，即形成过盈而达到紧配合 连接 4 4 1 。 压装是在常温下利用油压机的压力，将车轴的轮座部分在压装力的作用下 沿车轮轮毂孔水平移动，实现轮轴的组装【4 4 1 。组装后轮轴由于过盈产生半径方 向的接触压力，并依靠由该压力产生的摩擦力来传递扭矩和轴向力。压装在室 温下进行，所以一般都称为冷压装。注油压装是在压装时，通过车轮上的油口， 在车轴的轮座表面和毂孔之间注入高于它们之间接触应力的高压油，使之形成 油膜，随着轮座与毂孔接触面的增加，油不断渗透，使整个轮对压装过程处于 油膜隔开的情况下进行【45 i 。 由于热装法难以检查轮对组装后的质量，而压装法工艺较简单，并且能根 据压力机自动记录器及压力表所示的压力曲线和压入力大小来鉴定连接的可靠 程度，所以目前国内的轮对组装主要采用压装法【4 4 1 。 2 1 2 轮对组装工序 列车轮对是由两个车轮和一根车轴组成( 本文不考虑制动盘存在的情况) 。 轮对的组装，是指的车轮与车轴通过紧压配合组装成一个整体，并最后对整个 组装好的轮对进行加工检查。 轮对的组装工序如下： 车轴、车轮尺寸选配一车轮输送喷油翻转至预压装位一轮对预压装一轮对 压装一轮对动平衡试验与校正一轴端标记刻打一轮座镶入部超声波探伤一落成 检查一落成验收一油漆标记 4 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 l 。hii 曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼! 曼曼曼曼皇! 皇! 鼍曼鼍曼曼曼! 曼 2 1 3 轮对压装装配工艺 首先选配好合适的车轮与车轴，在压装车轮前，清洁车轴轮座( 以下简称 轮座) 及车轮轮毂孔( 以下简称轮毂孔) 表面，去除表面毛刺和污物，并在表 面均匀涂抹纯净植物油，其作用是用来防止压装过程中轮轴配合面卡注、擦伤， 并用以降低摩擦系数。压装时，车轴、车轮纵向中心线和油压机活塞的中心三 心保持一致，车轴的轮座部分在压装力的作用下沿车轮轮毂孔移动，在压装配 合面产生弹性和塑性变形，当压装力克服了压装配合面上正压力产生的摩擦阻 力时，使车轴与轮毂孔表面产生相对移动，从而实现轮轴的压装【4 4 1 。 组装工作应使各零部件处于同一温度下进行，一般是放在室内8 h 以上才进 行组装。因为温度不一样时，测量后所得的过盈量会有所偏差【4 引。 车轮压装工艺流程如下： 1 吊装 首先把装好轮箱的车轴吊到车轴支架上，并用方木把轮箱垫高，保持车轴 的基本水平。如图2 1 所示。 一， 、。 夥 1 。， 几| 一 l i 广 i - - _ _ 0 i i l ，l； 厶轴支架 兀_ 珀一1 1 _ 方木 图2 1 吊装车轴 2 套车轮 用吊车把左右车轮分别套在车轮上，车轮内侧端面与车轴纵向中心线垂直， 并进行预压装，如图2 2 所示。 3 压车轮 将预装的车轴和车轮缓慢吊入卧式轮轴压装机，活塞压在车轴端面上，压 装车轮之前，先用水平仪进行水平定位，保证车轴和车轮的纵向中心线与压力 机