（车辆工程专业论文）货车车轮辐板孔裂纹形成原因及疲劳扩展特性研究.pdf

中文摘要 中文摘要 目前，大约有2 0 ( 约7 0 万片) 的8 4 0 d 货车车轮出现辐板孔裂纹，并且呈 上升趋势，对铁路运输安全构成了严重威胁。当前追切需要了解8 4 0 d 车轮辐板孑l 疲劳裂纹的成因及继续使用的安全性问题。本论文以8 4 0 d 货车车轮为研究对象， 研究了车轮辐板孔裂纹的形成条件、扩展条件、裂纹扩展规律及其剩余寿命，揭 示了车轮辐板孔裂纹形成及扩展机理，对科学地制定辐板孔裂纹车轮的检修周期 与管理方法具有重要的指导意义。 本论文主要进行了以下几个方面的研究工作： 1 根据大量车轮辐板孔裂纹调查统计数据，分析货车车轮辐板孔裂纹的形式和 尺寸分布，得出裂纹率与轮辋厚度、使用时间、辐板孔位之间的关系，以确定研 究辐板孔裂纹形成与扩展应该考虑的车轮几何因素。 2 选取典型辐板孔裂纹车轮进行辐板材质的机械性能、硬度及化学成分检验， 以确定辐板材质是否存在缺陷；借助金相、扫描电镜、能谱分析等手段，对裂纹 断口宏观、微观形貌及金相特征进行分析，确定裂纹性质、裂纹源位置、裂纹走 向及裂纹前沿的形状变化规律等，为进一步分析裂纹形成原因及扩展规律奠定基 础。 。 3 基于u i c 5 1 0 3 标准，确定机械载荷下车轮的边界条件，通过摩擦功率法确 定制动过程中的热量输入；采用有限元方法，分别对辐板孔边在机械载荷作用下 的应力场、典型制动热负荷下的温度场及热应力场进行数值模拟，分析辐板孔偏 向轮辋和踏面磨耗对温度场及应力场的影响，为进行辐板孔疲劳强度评定和寿命 预测提供载荷条件。 4 利用h a i g h - g o o d m a n 疲劳极限线图评价机械载荷下辐板孔的疲劳强度；采 用g o o d m a n 方程，将制动热负荷产生的零一拉脉动循环转化为对称循环，根据辐板 孔的s - n 曲线评价制动热负荷下的疲劳强度；提出机械载荷和制动热负荷组合作 用下的应力叠加方法，由此应力叠加方法分析制动热应力和机械波动应力的综合 作用效果；采用名义应力法和m i n e r 法则建立辐板孔裂纹形成寿命预测模型，预 测机械载荷与制动热负荷组合作用下辐板孔裂纹寿命，用来评价两种载荷组合作 用下车轮辐板孔的疲劳强度。 5 利用局部应力应变法n e u b e r 准则，采用m o r r o w 方程考虑平均应力的影响， 建立辐板孔裂纹萌生寿命的预测模型，估算机械载荷谱与制动热负荷谱组合作用 下辐板孔裂纹的萌生寿命，分析踏面磨耗和辐板孔偏向轮辋对萌生寿命的影响以 及促使辐板孔裂纹形成的载荷因素。 北京交通大学博士学位论文 6 采用1 4 节点位移法及子模型技术，建立车轮辐板孔裂纹的三维有限元模 型，分析不同载荷作用下应力强度因子的变化规律及辐板孔偏向轮辋和踏面磨耗 对应力强度因子的影响，为研究辐板孔疲劳裂纹扩展规律及预测剩余寿命打下基 础。 7 提出机械载荷与制动热负荷作用下辐板孔裂纹应力强度因子叠加方法，采用 f o r m a n 公式考虑平均应力的影响，建立辐板孔疲劳裂纹扩展模型，分析不同载荷 下辐板孔裂纹扩展规律，确定使辐板孔裂纹扩展的载荷条件。 8 计算两种孔位中等磨耗轮在机械载荷谱与制动热负荷谱组合作用下的剩余 寿命，并与大秦线试验结果、h m i s 跟踪统计结果进行比较，为含辐板孔裂纹车轮 能否继续使用提供理论和试验依据。 关键词：车轮；有限元分析；失效分析；疲劳强度；断裂力学；裂纹萌生；裂纹 扩展；应力强度因子：寿命估算 分类号：u 2 7 0 3 3 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h em a i ns e r v i c ew h e e lo ft h ef r e i g h tc a r , a b o u t2 0 8 4 0 dw h e e l ，w h i c hw a s e q u a lt o7 0 0t h o u s a n d ，a p p e a r e dc r a c ka r o u n dt h ep l a t eh o l e ，a n dt h en u m b e ri sg e t t i n g g r e a t e r i th a sa f f e c t e ds e v e r e l yt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns a f e t y s oi th a sb e c o m e i m p e r i o u st oc l a r i f rt h ec a u s eo ft h ef a t i g u ec r a c ko f8 4 0 dw h e e lf o rf r e i g h tc a ra n dt h e s a f e t yb e i n gu s e ds e q u e n t i a l l y b a s e do nt h ef a t i g u ef a i l u r eo f8 4 0 df r e i g h tc a r , t h e c r a c ki n i t i a t i o nc o n d i t i o n , c r a c kp r o p a g a t i o nc o n d i t i o n ，c r a c kp r o p a g a t i o nl a wa n dt h e r e s i d u a ll i f eo f t h ec r a c ka r o u n dp l a t eh o l eh a v e b e e ns t u d i e di nt h et h e s i s n l ei n i t i a t i o n a n dp r o p a g a t i o nm e c h a n i s m so fp l a t e - h o l ec r a c kh a v eb e e nd i s c o v e r e d i th a sp r o v i d e d at h e o r e t i c a lb a s i sf o rm a k i n gar e a s o n a b l ea n ds c i e n t i f i ci n s p e c t i o np e r i o d i c i t ya n d m a n a g e r i a lm e t h o d t h ep r i m a r yw o r ka n dr e m a r k so f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt oa b u n d a n ti n v e s t i g a t i o na n ds t a t i s t i cd a t ao f t h ec r a c ka r o u n dt h ep l a t e h o l e t h et h e s i sh a sa n a l y z e dt h ef o r ma n dt h es i z ed i s t r i b u t i o no f t h ec r a c k t h er e l a t i o n b e t w e e nt h ec r a c kp e r c e n t a g ea n dt h er i mt h i c k n e s s ，t h es e r v i c et i m e ，t h el o c a t i o no f p l a t eh o l eh a sb e e n c o n c l u d e d 1 1 1 er e s u l td e t e r m i n e dt h ew h e e lg e o m e t r yf a c t o rf o r s t u d y i n gt h ec r a c ki n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t y , t h eh a r d n e s s ，t h em a c r o s t r u c t u r ea n dt h ec h e m i c a l c o n s t i t u t i o no f t h ep l a t em a t e r i a lf r o mt h ew h e e lw i t ht y p i c a lp l a t e - h o l ec r a c kh a v e b e e n t e s t e d 1 1 l ct e s tr e s u l ts h o w e di ft h ep l a t em a t e r i a lh a dd e f e c tl e a d i n gt ot h ec r a c k b y m e a n so fm e t a l l o g m p h i ca n a l y s i s ，s t e r e o s c a np h o t o g r a p h , e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s ，t h e m a c r o s c o p e ，m i c r o s c o p i cf r a e t o g r a p h ya n dm e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r eo f t h et y p i c a lc r a c k h a sb e e na n a l y z e dt oi n d i c a t et h ep l a t e - h o l ec r a c kp r o p e r t y , t h ec r a c ks o u r c e ，t h ec r a c k p r o p a g a t i o nd i r e c t i o na n dt h ev a r i a t i o nr u l eo ft h ec r a c k 却t h ea n a l y s i sr e s u l t sh a v e e s t a b l i s h e dab a s i sf o rf u r t h e ra n a l y z i n gt h ec a u s ea n dp r o p a g a t i o nl a wo f t h ec r a c k b a s e do nt h es t a n d a r do f u i c 5 1 0 5 ，t h eb o u n d a r yc o n d i t i o nu n d e rm e c h a n i c a ll o a d h a sb e e nd e t e r m i n e d a p p l y i n gf r i c t i o np o w e rm e t h o d ，t h eh e a ti n p u td u r i n gb r a k i n gh a s b e e nd e t e r m i n e d n 圮t e m p e r a t u r ef i e l du n d e rb r a k i n gt h e r m a ll o a d i n ga n dt h er a d i a l s t r e s su n d e rt h em e c h a n i c a la n dt h e r m a lb r a k i n g1 0 a d sh a sb e e na n a l y z e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h er e s u l tp r o v i d e dl o a dc o n d i t i o nf o re v a l u a t i n gf a t i g u es t r e n g t ha n d p r e d i c t i n gt h el i f e t h ef a t i g u es 2 e n g t ho fp l a t eh o l eu n d e rm e c h a n i c a ll o a dh a sb e e na n a l y z e d 北京交通大学博士学位论文 a p p l y i n gt h eh a l g h g o o d m a nf a t i g u el i m i tc n r v e a f t e rc o n v e n i n gt h ez e r o - t e n s i l e s t r e s sc y c l ei n t os y m m e t r i c a lc y c l ew i t hg o o d m a ne q u a t i o n ，t h ep l a t e h o l es t r e n g t h u n d e rb r a k i n gt h e r m a ll o a dw a se v a l u a t e db yu s i n gt h es - nc u r v eu n d e rs y m m e t r i c a l c y c l eo fp l a t em a t e r i a l t h es t r e s ss u p e r i m p o s i n gm e t h o dw a sp u tf o r w a r df o rs o l v i n g t h es t r e s ss u o e r i m p o s i t i o nu n d e rm e c h a n i c a la n dt h e r m a ll o a d s t h em o d e lo f p r e d i c t i n g c r a c kl i f ew a sb u i l tb yn o m i n a ls t r e s sm e t h o da n dm i n e rt h e o r e m n l ec r a c kl i f ew a s p r e d i c t e df o re v a l u a t i n gt h ef a t i g u es t r e n g t hu n d e ri n t e g r a t e de f f e c to ft h em e c h a n i c a l s t r e s sa n dt h e r m a ls t r e s s t h em e c h a n i c a ll o a ds p e c t r u ma n dt h et h e r m a ll o a ds p e c t r u mh a sb e e nd e t e r m i n e d ， a n dt h em o d e lf o re s t i m a t i n gp l a t e - h o l ec r a c ki n i t i a t i o nl i f ew a se s t a b l i s h e da p p l y i n g m o r r o we q u a t i o nt ot a k ei n t oa c c o u n tt h ei n f l u e n c eo ft h em e a ns t r e s s t h ei n i t i a t i o n l i f eu n d e rt h es u p e r i m p o s i t i o no ft h em e c h a n i c a ll o a da n dt h et h e r m a ll o a dw a g e v a l u a t e d t h ei n f l u e n c eo ft h er i mw e a l a n dt h ep l a t e - h o l eo f f s e tt o w a r dt h er i mo nt h e c r a c ki n i t i a t i o nl i f ew a ga n a l y z e d ，a n dt h el o a dc o n d i t i o nm a k i n gt h ec r a c ki n i t i a t ew a s a l s od e t e r m i n e d t h ep l a t e - h o l ec r a c ks t r e s si n t e n s i v yf a c t o ra n di t sc o r r e s p o n d i n gv a r i a t i o nl a ww i m t h ec r a c ks i z eu n d e rt h em e c h a n i c a ll o a da n db r a k i n gt h e r m a ll o a dw a gs t u d i e da p p l y i n g t h e1 4n o d ed i s p l a c e m e n tm e t h o da n dt h es u b m o d e lt e c h n i q u e t h ei n f l u e n c eo ft h e r i mw e a ra n dt h ep l a t e - h o l ep o s i t i o nw a gt a k e ni n t oa c c o u n t i te s t a b l i s h e dab a s i sf o r s t u d y i n gt h ep l a t e h o l ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nl a wa n dt h er e s tl i f e t h es u p e r i m p o s i t i o nm e t h o do fp l a t e h o l ec r a c ks t r e s si n t e r s i t yf a c t o ru n d e rt h e j o i n ta c t i o no f t h em e c h a n i c a ll o a da n dt h et h e r m a lb r a k i n gl o a dw a gp u tf o r w a r d t h e p l a t e h o l ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e da p p l y i n g t h ef o r m a n e q u a t i o nt ot a k et h ei n f l u e n c eo fs t r e s sr a t i oi n t oa c c o u n t t h ec r a c kp r o p a g a t i o nl a w u n d e rd i f f e r e n tl o a dw a gs t u d i e dt od e t e r m i n et h ep r o p a g a t i o nl o a dc o n d i t i o n 1 1 l ec r o c kp r o p a g a t i o nl i f eo fm i d d l i n gr i mw e a rw h e e l 谢t hn o r m a lp l a t e - h o l ea n d p l a t e - h o l eo f f s e tt o w a r dr i mw a sc a l c u l a t e d t h ee v a l u a t i n gr e s u l tw a si na g r e e m e n t w i t ht h et r a c k i n gt e s tr e s u l tb a s i c a l l y i tp r o v i d e dat h e o r e t i c a la n dt r i a lb a s i sf o r j u d g i n g t h ew h e e lb e i n gu s e dc o n t i n u a l l yo rn o t k e y w o r d s ：w h e e l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；f a i l u r ea n a l y s i s ；f a t i g u es t r e n g t h ； f r a c t u r em e c h a n i c s ；c r a c ki n i t i a t i o n ；c r a c kp r o p a g a t i o n ；s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ；l i f e e s t i m a t i o n c l a s s n o ：u 2 7 0 3 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：郑红霞导师签名 签字日期：2 0 0 7 年4 月9 日签字日期：2 0 0 7 年4 月9 开 致谢 本论文是在导师谢基龙教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、理论工作 的研究直到论文的最终完成，谢老师都做了大量的、具体的指导工作。攻读博士 期间，作者的每一点进步和论文的每一个细节都凝聚着导师的心血。5 年来，导师 无论在生活上还是在学习上都给予了我极大的关怀、帮助和支持。导师广博的学 识、深厚的学术造诣、严谨的治学态度、宽以待人的品格、勇于开拓的精神、谦 和儒雅的学者风范及精益求精、一丝不苟的工作精神，无不让我衷心钦服，同时 也给我潜移默化的影响，将使我受益终身。在论文即将付梓之际，特向恩师致以 最诚挚的谢意和最崇高的敬意。 感谢实验室缪龙秀教授、孙守光教授、李强教授、刘志明教授、任尊松副教 授所给予的多方面的支持和帮助，在此表示衷心的感谢。各位老师渊博的知识、 活跃的学术思想以及团结互助的精神将使我终生难忘。 感谢王文静老师对本人学习及生活上的关心和照顾。 感谢实验室金新灿博士、杨月博士、刘彩霞博士、谢云叶博士、杨广雪博士、 王冬硕士等的支持和帮助。感谢实验室其他成员、所有的师弟、师妹们，是大家 共同营造了一个和谐、快乐的氛围。 感谢铁道科学研究院的习年生研究员和刘敬辉工程师提供的资料及给予的信 息。 感谢我的家人，他们的默默奉献和殷切期望给了我物质和精神上的支持，使 我顺利完成学业。 感谢所有关心、支持我的老师、同学和朋友们。 最后向评阅专家致以最真诚的谢意，感谢他们在百忙之中对本论文提出宝贵 意见。 1 1选题背景与工程意义 1 绪论 随着铁路运输提速、重载战略的不断推进，列车运行安全备受关注，对运载 工具可靠性的要求越来越高。特别是我国客、货车同线运行，交叉混跑的情况下， 货车的运行安全显得尤其重要，它不仅关系到货车而且也关系到客车的运行安全， 是保证铁路运输安全和运输秩序正常的关键。我国铁路货车的轴重正在由2 1 t 向 2 3 t 、专用货车向2 5 t 发展，车辆的最高商业运行速度正在由8 0 k m h 向1 2 0 k m h 发 展。车轮作为货车的重要行走部件，不仅要承受轮轨之间的垂向载荷、横向载荷 以及摩擦力，还要承受踏面制动所产生的热负荷【l 】。随着列车轴重和速度的提高， 车轮的运用条件日趋苛刻，运用过程中出现的车轮故障呈明显上升趋势，已成为 影响货车发展的重要因素。目前，8 4 0 d 车轮是我国在役数量最多的货车车轮，约 3 5 0 多万片 2 1 ，约占我国货车车轮总量的7 3 。近年来，8 4 0 d 车轮在使用过程中 大量出现辐板孔裂纹问题，辐板孔裂纹已成为威胁列车安全运行的主要故障之一。 例如，2 0 0 4 年初，神华铁路发生一起由辐板孔裂纹导致的货车崩轮事件；2 0 0 4 年 7 月2 5 日，京沪线上因货车车轮辐板孔裂纹而崩轮，并引起重大行车事故，此后 又连续发生两次车轮崩裂事故。据不完全统计【3 】，有2 0 ( 约7 0 万) 左右的在役 8 4 0 d 车轮存在长度不等的辐板孔裂纹，检修中发现8 4 0 d 货车车轮辐板孔裂纹长 度多在5 - - 4 0 r a m 之间，并且呈增长趋势。当前世界范围内货车车轮的生产能力严 重不足，短期内全部更换带裂纹车轮根本不现实。疲劳与断裂力学的研究表明， 一定长度范围内的裂纹，存在一个稳定扩展阶段，即存在一定裂纹长度的8 4 0 d 车 轮，只要进行适当的管理和维修仍可安全使用一定时期。因此，对带辐板孔裂纹 车轮的运用安全性和剩余寿命作出正确评价，并寻求途径对带裂纹车轮进行修复 以便充分利用车轮的剩余寿命，已成为迫切需要研究的课题。 经分析表明，车轮辐板孔裂纹属于疲劳开裂，起源于车轮辐板内侧辐板孔边 棱角，大部分裂纹为辐板孔两端的周向裂纹( 如图1 1 所示) ，少数为辐板孔上下 径向裂纹。可见辐板孔是车轮的薄弱环节，结构上的这一缺陷使该区域应力大大 提升，成为最先萌生裂纹的场所，并在周期性应力作用下，向辐板外侧面和圆周 方向扩展。而该裂纹的形成原因、扩展条件及扩展规律至今还不清楚，造成维修 方法和安全评判方面的困扰。因此，针对目前货车车轮辐板孔裂纹故障增多的隐 患，深入研究和分析车轮辐板孔裂纹产生及扩展的条件和规律，研究带辐板孔裂 北京交通大学博士学位论文 纹车轮的损伤容限、剩余寿命，给出车轮安全服役期限及最大容限裂纹尺寸等一 系列问题，对制定科学的车轮检修、管理方法和安全地使用含裂纹车轮、保障行 车安全有着非常重要的工程实际意义。 图l - 1 典型辐板孔裂纹 f i g 1 1r e p r e s e n t a t i v ep l a t eh o l ec r a c k 1 2车轮损伤及破坏的主要形式 车轮在运行中受到振动、摩擦和各种应力的作用，使车轮出现各种损伤。目 前，铁路车轮的损伤问题在国内外普遍存在，大部分车轮损伤出现在踏面、轮辋、 轮缘和辐板上。归纳起来，运用中出现的车轮损伤主要有以下几种形式：磨耗、 轮辋疲劳裂纹、辐板裂纹、热损伤、踏面剥离、崩裂等。常见损伤情况如图1 2 所示【4 】。 车轮磨耗是发生在与钢轨相互作用表面上的一种非常复杂的现象，它是由轮 轨相互作用及不同的运行状态引起的滚动、滑动摩擦引起的，是车轮使用过程中 形成的主要损伤形式之一，主要有踏面磨损和轮缘磨损两种，其中踏面磨损表现 为踏面沿直径方向尺寸的减小，主要由垂直载荷作用与滚动摩擦造成的。车轮踏 面磨损到一定尺寸时为恢复踏面的原有形状需要进行旋修，当磨耗到极限尺寸后 车轮就报废；轮缘磨损主要由车轮通过弯道以及车辆的蛇行运动和横向载荷作用 下的滑动摩擦造成的。车轮磨耗受很多因素的影响：如车轮的材质性能( 化学成 分、组织、硬度和断裂韧性等) ；加载条件；粘着 c 习滑；与钢轨的相对运动方式( 纯 滚动、滚动一滑动) ；运行环境；线路条件和状态( 直线、弯道、养护良好程度等) ； 轮轨的断面形状等。广义的车轮磨耗包括因裂纹、擦伤、剥离在内所有导致踏面 旋修现象的总和。这种缺陷对运行安全性非常有害，也是影响车轮寿命的重要因 素口l 。 轮辋的疲劳裂纹也是车轮使用过程中产生的主要损伤类型之一，往往会造成 2 绪论 列车运行中途甩车，若不及时发现甚至导致切轴等行车事故，是当前危及客货列 车行车安全的主要因素之一。它是踏面下一定深度范围处的内部疲劳裂纹扩展到 轮辋外侧面、轮辋内侧面的轮缘部位或倾斜向上扩展到踏面的结果。轮辋疲劳裂 纹起源于轮辋内部，当裂纹扩展到一定尺寸后，在轮辋外侧观察到的周向裂纹和 在踏面上观察到的横向裂纹，也有轮缘部分开裂的情形。轮辋裂纹究竟以哪种形 式发展，与缺陷所在的位置有密切关系，若缺陷靠近轮辋外侧面就发展为轮辋外 侧面裂纹，若缺陷接近轮缘部分就向轮缘方向发展。 辐板裂纹和崩裂1 轮 裂 i 热疲劳裂纹断口 裂断口 图l - 2 车轮各部位名称和损伤形式示意图 f i g 1 - 2s k e t c ho f e a c hp a r td e s i g n a t i o na n dd a m a g ef o r mo f w h e e l 辐板裂纹是始发于辐板并沿辐板圆周扩展的裂纹，主要发生在辐板孔上，即 辐板孔是车轮的薄弱环节，辐板孔边本身就会产生应力集中，再加上加工缺陷， 将进一步加大应力集中系数，形成疲劳源。辐板裂纹是由踏面制动热负荷和机械 载荷的综合效应造成的，裂纹始发区的最大应力源于热载荷，但在车轮寿命期间 内大热应力循环次数较少，车轮每转一周，机械载荷将使车轮危险的圆角部位产 生交变应力，但应力幅值比较低。这些应力循环的相对重要性尚未确定。 北京交通大学博士学位论文 车轮热损伤主要有热裂纹和擦伤两种方式。踏面热裂纹是使用踏面制动频繁 停车的铁路车辆上最常见的车轮损伤形式，它是沿踏面周向分布较均匀、具有横 向刻度状的裂纹，并伴有局部剥离掉块，大多分布在踏面中部，也有的分布在踏 面边缘，制动热裂纹的发展伴随着车轮内部残余应力场的变化。在大压力踏面制 动条件下，车轮周边的温度相当高，但是轮辋的膨胀因辐板和轮毂的温度低而受 到限制，因此，促使轮辋周向压应力和辐板径向拉伸应力的形成。在轮毂外圆角 和轮辋内圆角处产生的辐板应力最大。若车轮的温度梯度足够大，随着邻近踏面 表面轮辋部分热负荷的不断增大，首先在大应力的辐板圆角处产生塑性变形。轮 辋若因热负荷产生非弹性变形，在冷却过程中将出现残余拉伸应力。轮辋中的拉 伸应力将促使热裂纹的产生和扩展。擦伤是由于在停车制动或紧急制动时，由于 轮轨间剧烈摩擦使踏面形成近似于椭圆形的伤痕。 剥离是车轮在运用中由于热机械作用和轮轨接触疲劳作用而在踏面局部或圆 周上表现的裂纹萌生和金属剥落的损伤现象。通常，将轮轨接触疲劳产生的这种 损伤定义为剥落( s h e l l i n g ) ，而将热损伤产生的这种现象称为剥离( s p a l l i n g ) 1 ，3车轮强度与疲劳的研究现状 1 3 1车轮应力分析技术的发展 车轮辐板孔边出现疲劳裂纹，与辐板孔附近区域的应力状态、应力水平及应 力随时间的变化规律有很大的关系。国内外关于车轮工作过程中辐板孔边应力计 算方面的研究非常少，而对无辐板孔车轮的研究较多。对无辐板孔车轮进行应力 分析所采用的方法，开始是基于材料的线弹性假设、利用有限差分法求解弹性问 题的解：后来，在有限差分法的基础上开始应用有限单元法求解弹性力学问题， 并在计算模型中考虑了材料的弹塑性特性以及材料非线性。第六届国际轮轴会议 上，出现了一整套用有限单元法求解热和弹性问题的公式，可用来指导不同工作 条件下各种车轮的设计。近些年来，有限单元法已经被普遍应用到车轮的应力分 析中。车轮应力分析的研究内容主要包括以下几个方面【6 】： ( 1 ) 由接触应力造成的车轮踏面磨损。车轮运行表面的磨损多种多样，此处 主要考虑由接触疲劳产生的磨损，其典型特征是滚动表面剥离。这种现象是由轮 轨接触产生的高值接触应力引起的。此领域内的研究内容主要有：法向载荷下的 弹塑性应力分析、接触点处作用力与蠕滑力之间的关系、法向和切向联合载荷作 用下的应力分析、轮轨接触点的应力分析等等。 ( 2 ) 车轮踏面裂纹。踏面裂纹是车轮典型损伤之一，传统上认为踏面裂纹主 4 绪论 要归咎于停车制动和恒速坡道制动所产生的较高热负荷。但是要找出哪种制动载 荷对踏面裂纹的出现影响更大一些，需要研究两种制动载荷下的热应力。 ( 3 ) 辐板裂纹。辐板裂纹是由机械载荷和热载荷产生的应力的组合作用引起 的。第七届国际轮轴会议上，t h o r n s 、g a r h 和n a i r 提出在弹塑性材料特性下联合 研究机械载荷与热载荷，假设热载荷分析中与机械载荷相联系的机械应力一直保 持不变，显然这种假设与事实不符，因为机械应力随车轮旋转不断变化。 国内，余红英和樊永生 7 1 采用二维弹性模型计算了车轮在轮轴安装过程中产生 的应力以及在制动载荷下的热应力，得到了车轮的温度场和热应力场，但计算过 程中没有考虑机械载荷及辐板孔的影响。刘云f 8 】详细阐述了紧急制动工况下提速货 车车轮的温度场和热应力场的计算，通过接触计算分析得出闸瓦和车轮踏面之间 的接触压力，由接触压力的分布求出热流密度沿车轮轴向的分布，从而计算出紧 急制动工况下的温度场及热应力场。但他采用的是二维轴对称弹性模型，忽略了 辐板孔的影响，也没有考虑机械载荷、其他制动载荷及机械载荷与制动热载荷的 叠加问题。刘会英1 9 】采用轴对称模型计算了径向、横向机械载荷及制动热载荷下车 轮的应力分布，计算中假定径向、横向载荷是沿轴向分布在一定圆弧上的线载荷， 热载荷在整个踏面上均匀输入，还介绍了国产客、货车车轮强度的有限元计算和 分析。关莹【1 0 1 1 “】在研究接触问题和热一机耦合问题数值方法的基础上，采用热一 机耦合的有限元方法数值仿真了提速客车双面踏面制动过程，定量地给出了车轮 温度随速度的变化规律，为研究轮、瓦寿命提供了理论依据。 第十一届国际轮轴会议上，v c i n o z e m t s e v 等【1 2 】采用接触非线性的数值 方法，考虑车轮一闸瓦一轮轨三者之间的摩擦，定量计算了接触时的压力、热量 释放及温度分布。 w i s e t ”】概括了过去3 0 年车轮设计方面的发展，详细叙述了轮对的发展过程， 简单描述了车轮的破坏形式，提出在车轮设计过程中必须明确机械载荷和热载荷 联合作用下的应力分布、车轮各部位的破坏规律与准则。 c h k n e e n e b l l 4 1 等采用轴对称模型计算了各种制动工况下不同轮辋厚度的整 体辗钢车轮的温度场、变形及应力，得出由于制动产生的瞬时高热拉应力已经接 近材料的屈服极限，并且能导致应力集中区域的破坏。持续坡道制动时，轮辋到 辐板和辐板到轮毂的过渡圆弧区域的拉应力具有明显的弯曲特性。对薄轮辋 ( 2 5 m m ) 的车轮来说，持续坡道制动工况更加危险，因为高瞬时热拉应力和塑性 变形都集中在轮辋到辐板的过渡区，且制动结束时( 持续制动时间2 0 m i n ) 此区域 的最高温度可达6 0 0 c ，需要数十分钟才能冷却到环境温度，但c h k n e e n e b 同样 没有考虑机械载荷和辐板孔的影响。 l u n d e n t ”】采用轴对称模型，详细研究了车轮踏面和轮轨接触面在周期变化的 北京交通大学博士学位论文 接触压力和制动热载荷联合作用下的疲劳问题。他提出在上述两种载荷的联合作 用下轮辋中的残余应力场重新分布，计算了在发生频率较高的载荷下的弹塑性应 变循环，并通过损伤力学模型用弹塑性应变循环来预测轮辋的寿命。文中主要讨 论了安定状态、循环塑性、松脱振动三种常见的现象。他采用与温度相关的材料 参数进行热一弹塑性分析，将车轮和轮轨之间的压力看作是时间的函数，通过赫 兹接触理论计算出接触压力。他提出了两种将机械载荷和热载荷组合方法：一次 热循环过程中伴随着若干次机械载荷循环；机械载荷循环过程中，热载荷作为分 布载荷施加于踏面上。但是l u n d e n 并没有明确说明所采用的方法，而且在机械载 荷的计算中没有考虑横向载荷的作用，也没考虑摩擦可能造成车轮踏面产生塑性 变形的影响。 f e r m e r 1 6 1 做车轮优化设计方面的工作时，采用三维弹性模型计算了机械载荷 下的应力，采用二维有限元模型计算了热载荷下的应力。m o y a r 和s t o n e z t 研究了 机械载荷、热载荷和接触载荷作用下车轮踏面的疲劳问题，文中利用临界平面疲 劳裂纹萌生理论说明了热载荷对车轮表面疲劳裂纹的重要作用，得出踏面的热疲 劳寿命与平均分布的制动热载荷、长时高温、车轮钢的疲劳特性、残余压应力有 关。e d e l 和s c h a p e r i l 8 】采用断裂力学方法研究了车轮的多种破坏形式。 l r a m a n a n 等【l 】采用三维弹塑性模型全面分析了车轮、车轴和轮轨整体模型的 应力分布规律。他同时考虑了辐板孔以及轮轨之间的接触非线性，分别计算了机 械载荷和制动热载荷作用下的应力分布，发现制动热载荷作用下的应力远远大于 机械载荷作用下的应力，并且辐板孔边的热应力最大，建议取消辐板孔。 总之，由于车轮辐板孔边的机械应力随车轮旋转而周期性变化，由制动产生 的热应力随时间变化，目前还没有综合考虑机械载荷与制动热载荷联合作用下辐 板孔边应力状态的分析方法；机械载荷产生的应力波动与制动载荷产生的热应力 波动的叠加问题仍未得到很好的解决。 1 3 2车轮疲劳强度评定技术的发展 关于踏面制动车轮强度的分析和评定标准，北美a a r 标准s 一6 6 0 8 3 机车 和货车车轮设计分析评定办法i l9 j 规定了计算载荷、计算工况，采用对不同车轮 设计的应力分析结果与a a r 数据库中的在役标准车轮进行比较的评定办法，来判 定所设计的车轮是否满足要求。但这一规范比较粗糙，仅给出了车轮静强度分析 及评定标准，即最大v o nr a i s e s 应力小于车轮材料的屈服极限盯，v o nr a i s e s 应力 的计算公式为：盯= ( q - a 2 ) 2 + ( 吒- o r 3 ) 2 + ( 吗吼) 2 2 ，其中q 、o 2 、0 3 是主 应力。国际铁路联盟u i c 【2 0 】【2 1 j 2 2 1 和欧洲铁路联盟e n 标准【2 3 1 中规定了车轮的设计 6 绪论 和分析方法，给出了三种机械载荷工况及相应的加载位置，要求确定出各种机械 载荷工况下的应力分布及最大主应力、车轮旋转18 0 0 过程中车轮应力的变化规律， 确定不同载荷工况下车轮危险点的最大、最小主应力值，计算出平均应力吒及应 力幅值以后，根据g o o d m a n 疲劳曲线评定车轮的疲劳强度。但此标准也仅限于轮 轨机械载荷，没有考虑制动热负荷，并不适用于踏面制动车轮。除此而外，再无 完整的关于车轮疲劳强度的分析评定方法。 丁辉1 2 4 、米彩盈、李芾口5 】【2 6 】、孙永鹏2 刀根据国际铁路联盟u i c 的相关标准确 定了车轮强度分析的计算载荷工况，模拟了运行状态下车轮的应力分布规律，提 出了静强度和疲劳强度的数值分析方法，但他们也仅仅考虑了各种机械载荷工况 下的情况，同样没有考虑制动热载荷的影响。 r a i s o r i 2 5 1 根据u i c 5 1 0 3 和o r eb 1 3 6 1 r p i 制定了计算货车车轮强度的载荷工 况，采用轴对称单元对车轮进行网格划分，用a n s y s 有限元软件分析了轮轨作用 力、制动热载荷和离心力作用下货车车轮的应力分布，按照u i c 5 1 0 3 和u i c 5 1 0 - 4 给出的疲劳强度评定准则，在法国国营铁路( s n c f ) 开发出按车轮最大拉应力评 定车轮疲劳强度的分析程序，用来指导车轮结构设计和疲劳强度评定。 在周期性载荷作用下，车轮的应力分布呈多轴应力状态，任意位置的主应力 从大n d , 依次排列为q 、以、以。对于多轴应力状态下的疲劳问题，不仅要考虑 平均应力的影响，还要考虑多轴应力之间的相互作用。因此，要评定车轮在周期 性载荷作用下的疲劳强度，首先应将多轴应力状态转化为单轴应力状态，再利用 辐板材料的疲劳极限t 和在指定寿命下确定的修正g o o d m a n 曲线进行疲劳强度 评估。米彩盈【2 9 】提出了适合于机车车辆承载结构疲劳强度评定、将多轴应力转化 为单轴应力的方法- o r e 方法和d i n l 5 0 1 8 方法。 1 3 3车轮疲劳的断裂力学研究现状 国内外的众多学者对车轮的疲劳破坏问题进行了大量的研究工作，对车轮的 疲劳破坏形式、损伤机理有了一定程度的认识，但到目前为止还没有能够预防和 控制车轮疲劳破坏的有效手段。张斌等【4 i 在分析大量失效车轮的基础上，归纳了车 轮的损伤类型及其失效机理，形成了损伤特征图谱。然而大量的损伤研究主要集 中在车轮踏面与剥离损伤方面，仅有个别文献关注到车轮辐板的疲劳与断裂。对 于辐板损伤，以往多是因车轮偶发的制造缺陷而出现裂纹、掉块等，随着车轮制 造工艺的改进、产品质量的提高，这种辐板损伤已越来越少见。但是，对于带辐 板孔的货车车轮，国内外均报道过起源于辐板孔的疲劳与断裂故障，我国大量使 用的8 4 0 d 货车车轮更是面临着极高比例的辐板孔疲劳裂纹问题。 7 北京交通大学博士学位论文 要对车轮的断裂行为作真实估计，必须依据车轮在运用中的应力和车轮钢断 裂力学特性方面的全面知识。文献3 0 1 1 3 1 1 1 3 2 1 研究了辗钢和铸钢车轮材料的疲劳 性能、断裂力学性能及这些性能与组织的关系，提供了一些有益的参数和方法。 m a r k u sd i e n e r 等1 3 3 1 说明了确定货车车轮钢断裂韧性的试验方法，按照u i c 8 1 3 - 3 研究了材质为r 7 的已断裂和未断裂车轮的断裂机理，得出整体车轮的强度和断裂 韧性值；还从金属学和断裂力学的观点出发，按照u i c 标准就提高抗断裂强度方 面对闸瓦制动整体车轮提出了些要求。k 0 e d e l 等p 4 l p 5 1 d 6 】全面研究了循环热 冲击应力作用下整体车轮钢的裂纹循环扩展特性，运用统计理论给出了修正p a r i s 公式和相应参数，建立了热冲击应力条件下车轮裂纹扩展的公式，并借助于线弹 性断裂力学理论，分析了不同运用工况下轮辋及踏面裂纹的特