（光学工程专业论文）840d车轮辐板孔裂纹统计分析及维修方法研究.pdf

中文摘要 摘要：论文根据8 4 0 d 车轮辐板孔裂纹调查统计数据，对裂纹成因、扩展规律、剩 余寿命、容限尺寸及维修性进行了分析，内容包括： 1 ) 裂纹调查与统计数据分析 根据大量的车轮辐板孔裂纹调查统计数据，分析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；采用三参数威布尔分布，建 立辐板孔裂纹形成寿命与扩展速率预测的概率模型，分析不同可靠度下的裂纹形 成寿命与扩展速率。 2 ) 裂纹形成及扩展规律研究 对裂纹断口宏观、微观形貌及金相特征进行分析，确定裂纹的产生机理及发展模 式；通过长期跟踪大秦线运用裂纹车轮观测试验数据和海量的h m i s 记录数据，研 究辐板孔疲劳裂纹扩展规律。 3 ) 裂纹修理方法研究 对带辐板孔裂纹的车轮提出了四种不同的修理工艺，计算了每一种工艺修理后辐 板孔边的应力状态，并对修理效果进行了评估。 关键词：8 4 0 d 车轮；辐板孔裂纹；失效分析 分类号：u 2 7 0 3 31 j e 塞交道太堂童些亟堂僮论塞旦墨ib ! a bs t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s y n t h e t i c a l l ya n a l y s e so ft h ec a u s eo fc r a c k sf o r m a t i o n , t h e c r a c k se x p a n s i o nr u l e s ，t h ec r a c k s r e s i d u a ll i f e s p a n ，t h ec r a c k s a l l o w a n c es i z ea n d s e r v es e c u r i t yh a db e e ne f f i c i e n t l yp r o c e s s e db a s e do nt h es t a t i s t i c a li n q u i r yd a t e a n a l y s i so ft h ep l a t eh o l ec r a c k si nt h e8 4 0 dw h e e l sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ec r a c k s a n ds t r e s si n t e n s i t yf a c t o r su n d e rt h ew h e e lt r a c kl o a d sa n db r a k et h e r m a l t h ec h i e f r e s e a r c h e sw e r ec o n s t i t u t e da sf o l l o w ： 1 ) i n v e s t i g a t i o no nc r a c k sa n da n a l y s i so fs t a t i s t i c a ld a t a - t h ea n a l y s i so ft h e c r a c k sf o r mi nt h ep l a t eh o l e sa n ds i z ed i s t r i b u t i n gw e r ep r o c e s s e da n dt h u st h e r e l a t i o n s h i pa m o n g t h ec r a c k sr a t i o ，t h er i mt h i c k n e s s ，t h ee m p l o yt i m ea n dt h ep o s i t i o n o ft h ep l a t eh o l e sw e r ey i e l d e d ；t h ep r o b a b i l i t ym o d e lt h a tc a nb eu s e dt op r e d i c tt h e c r a c k s f o r m a t i o nl i f e s p a na n de x p a n s i o nv e l o c i t yw a sb u i l tw i mt h ea d o p t i o no fat h r e e p a r a m e t e r sw 西b u l ld i s t r i b u t i o n t h e nt h ec r a c k sf o r m a t i o nl i f e s p a na n de x p a n s i o n v e l o c i t yu n d e rd i f f e r e n tr e l i a b i l i t yw e r ea n a l y z e da n dt h es e c u r es t a t e so fa l lt h ep r e s e n t s e r v e d8 4 0 dw h e e l sc o u l dt h u sb ei n f e r r e d 2 ) e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc r a c k s f o r m a t i o na n de x p a n s i o nr u l e 汕ea n a l y s i s o fm a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i cf r a c t u r ep a t t e r na n dm e t a l l o g r a p h i cc h a r a c t e rw e r e p r o c e s s e dt od e t e r m i n et h ec r a c k sf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dd e v e l o p m e n tm o d e l ，t h e n t h ec r a c k sf a t i g u ee x p a n s i o nr u l e sw e r es t u d i e db a s e do nt h es u b s t a n t i v eh m i sr e c o r d s a n de x p e r i m e n td a t ao b t a i n e db yal o n gt i m e st r a c k i n go b s e r v a t i o no ft h eo p e r a t i n g w h e e lo nt h ed a q i n r a i l w a y 3 ) f o u rd if f e r e n tm a i n t e n a n c et e c h n i c so ft h ew h e e l 、 ，i t hc r a c k so nt h ew e b p l a t e h o l ea r eg i v e n w ec o m p u l a t e dt h es t r e s s e sa te v e r yd i f f e r e n tt e c h n i c sa n de s t i m a t e dt h e e f f e c t k e y w o r d s ：8 4 0 dw a g o nw h e e l s ；p l a t eh o l ec r a c k s ；f a i l u r ea n a l y s c l a s s n 0 ：i j 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：李晓丽导师签名： 签字日期：2 0 0 8 年月日签字日期： 2 0 0 8 年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师谢基龙教授的悉心指导下完成的，谢基龙教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 谢基龙老师对我的关心和指导。 谢基龙教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向谢基龙老师表示衷心的谢意。 谢基龙教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，关成秀、周天博等同学对我论文中8 4 0 d 车 轮辐板孔裂纹统计分析及维修方法研究的研究工作给予了热情帮助，在此向他们 表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 为适应国民经济的持续发展，满足货运市场的需求，铁路货车快速化、重载 化己成为当前货车发展的必然趋势。车轮是列车安全运行的最关键部件之一，它 承受和传递车辆重量、轮轨作用力以及闸瓦制动热负荷，其受力状况既复杂又恶 劣，踏面擦伤，剥离和辐板孔裂纹是其主要的失效形式，这些车轮故障已成为影 响货车发展的重要因素。 我国现有货车保有量约6 0 万辆，有4 8 0 万片货车车轮在服役，其中8 4 0 d 型 车轮约3 0 0 万片。8 4 0 d 车轮辐板呈“s 形，辐板与轮辋过渡区开有两个对称的 工艺孔。当前8 4 0 d 型车轮辐板孔裂纹问题尤其突出，据统计，约有6 0 万片车轮 存在长度不等的辐板孔裂纹，占8 4 0 d 车轮总数的2 0 左右，并且有上升的趋势。 8 4 0 d 车轮辐板孔裂纹已对铁路运输安全构成严重威胁：2 0 0 4 年初，神华铁路发生 一起因辐板孔裂纹引起的崩轮事故；2 0 0 4 年7 月，京沪线上因辐板孔裂纹而崩轮 并引起重大行车事故，此后又连续发生两次车轮崩裂事故。 受到当前世界范围内货车车轮的生产能力严重不足和更换周期、运输需求、 发现时机、检查手段等的限制，继续运用辐板孔带裂纹车轮势在必然。这就迫使 我们必须在了解裂纹成因，掌握裂纹扩展规律和确定裂纹容限尺寸的基础上，分 析裂纹车轮的安全使用寿命，制定科学的车轮检修、管理办法以防止崩轮事故再 次发生，保证铁路运输安全。 另外，自1 9 9 7 年颁布t b t 2 8 1 7 1 9 9 7 标准后，“s ”型无辐板孔车轮( 8 4 0 h d s 、 8 4 0 h d s a 等) 已开始投入使用，并将逐步淘汰带有辐板孔的8 4 0 d 车轮。随着铁路 货车提速、重载运输的发展，对无辐板孔的新型车轮适应提速、重载的能力提出 更高要求。针对辐板孔裂纹故障的机理和原因，举一反三，同样需要预先考虑新 型车轮辐板疲劳行为与检修、管理办法的研究工作。 1 1研究现状 1 1 1 车轮损伤及破坏的主要形式 列车运行中车轮受到轮轨振动、摩擦和踏面制动摩擦等多种载荷的作用，导 致车轮出现各种损伤。大部分车轮损伤出现在踏面、轮辋、轮缘和辐板上，其主 要有形式有磨耗、轮辋疲劳裂纹、辐板裂纹、热损伤、踏面剥离、崩裂等，见图 i - i 所示n 1 。 车轮磨耗主要有踏面磨损和轮缘磨损两种。踏面磨损表现为踏面沿直径方向 尺寸的减小，由轮轨垂直载荷作用、滚动摩擦及踏面制动摩擦所造成，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。轮缘磨损是由通过弯道以及车辆的蛇行运动和横向载荷作用下轮轨的 滑动摩擦引起的。 车轮磨耗受很多因素的影响盥3 一：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；粘着润滑；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。 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。 轮辋的疲劳裂纹是车轮使用过程中产生的主要损伤类型之一，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。 辐板裂纹一般始发于辐板并沿辐板圆周方向扩展。带有辐板孔的车轮，由于 辐板孔边会产生较大的应力集中，辐板裂纹通常发生在辐板孔上。辐板裂纹始发 区的最大应力源于热载荷，但裂纹通常是由踏面制动热负荷和机械载荷的综合效 应造成的，而制动热负荷和机械载荷对裂纹形成或扩展影响的相对重要性尚有待 进一步确定。 车轮热损伤主要有热裂纹和擦伤两种形式。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 2 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 ) 。 轮 裂 辐板裂纹和崩裂 j 热疲劳裂纹断口 图卜1 车轮各部位名称和损伤形式示意图 1 1 2 车轮强度设计标准 裂断口 车轮强度设计标准以北美铁路和欧洲铁路联盟标准为代表。国际铁路联盟u i c 标准曙旬日1 和欧洲铁路联盟e n l 3 1 0 4 标准砸1 中规定了车轮的设计载荷和分析方法， 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车 轮辐板的应力分布及最大主应力、车轮旋转1 8 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，计算出平均应力及应力幅 值后，根据g o o d m a n 疲劳曲线评定车轮的疲劳强度。此标准没有考虑制动热负荷 的影响且仅限于考察轮轨机械载荷下车轮辐板的疲劳强度，因此并不完全适用于 踏面制动车轮。 关于踏面制动车轮强度的分析和评定标准，北美t 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归1 规定了计算工况和计算载荷。该标准采用比较评 定方法，通过所设计车轮的应力( 包括轮轨机械载荷下的机械应力和制动热负荷 下的热应力) 分析结果与a a r 数据库中的在役标准车轮的进行比较，来判定所设 计的车轮是否满足要求。该标准比较粗糙，仅给出了车轮静强度设计载荷及其评 定方法。 根据u i c 5 1 0 - 3 标准给出的机械载荷和o r eb 1 3 6 1 r p l 研究报告中的制动热载 荷，r a i s o n n 们确定出分析踏面制动货车车轮强度的载荷条件，采用轴对称有限单 元分析了轮轨作用力、制动热载荷和离心力作用下车轮的应力及其分布，开发出 按车轮最大拉应力评定车轮疲劳强度的分析程序，用来指导法国国营铁路( s n c f ) 的车轮结构设计。 1 1 3 降低车轮损伤研究方面 长期以来国内外从车轮材质、运用条件等方面进行了车轮损伤的研究并且提 出了相应的改进措施。 运用过程中车轮除承受滚动载荷和侧向载荷的作用外，还经常受到制动热负 荷的作用，因此要求车轮材质在具有高强度、耐磨性的同时，必须有良好的抗断 裂性能和抗热裂性能。法、德、英、意、日等国都在车轮材质冶金方面进行了大 量的研究工作，试图研制能够有效地抑制热裂纹的车轮材质。但所有这些新材质 车轮的试验结果都没有克服热裂纹的问题，特别是在改善车轮长期运用中的热疲 劳问题上，新材质车轮没有明显的效果。 由于采样新材质车轮并不能明显降低车轮的损伤( 主要是车轮踏面热损伤) ， 因此，对运用条件加以限制和改进车轮结构成为提高车轮使用寿命的主要途径。 按照美国a a r 标准的分类，运用中的车轮应力包括车轮三个方向的机械应力 和热应力的合成，其大小都是由运用条件所决定的。在运用条件中最重要的因素 就是轮轨接触作用和轮瓦摩擦副的作用，前者主要和车辆走行性能、钢轨、滚动 载荷有关；后者不仅依赖于空气制动系统的设计( 制动操纵、制动功率、闸瓦压力、 制动机型式等) 而且取决于轮瓦之间的温度场作用，一般简称为制动热负荷的问 题。近年来随着重载、高速和合成闸瓦的使用，几乎都是制动热负荷的增长超过 其它机械负荷的增长，所以对于车轮损伤，在运用条件方面考虑的重点是制动条 件。例如英国铁路对于车轮踏面的优化设计方法是以热负荷作为设计的基础，然 后再检查可以接受的机械应力n 。在重载运输的美国、苏联，因为制动作用引起 车轮过热和其它损伤的问题更为突出。苏联从五十年代以后由于车轮材质原因引 起的停运率已不断下降，反之，因车轮踏面制动原因引起的相对停运率在1 9 8 0 年 已增长至7 0 。根据1 9 8 3 年美国的换轮统计，损伤车轮中的大部分也是由于制动 作用引起的。因此制动热负荷问题在许多国家已成为研究重点。 此外，为了改善车轮的运用条件，国内外也作了不少有效的研究工作。例如： 新型转向架的设计改进了车轮的蛇行运动与通过曲线性能以利于减轻车轮的侧向 4 载荷和轮缘磨耗：通过车轮断面和尺寸的优化设计则以减小包括热应力在内的车 轮合成应力。 总之，国内外近年来已经进行了磨耗形踏面、波形辐板等有效的研究工作。 在辐板形状重新设计的过程中，a b c n a c o 公司研究了新车轮和磨耗车轮的制 动热应力，以及由轮轨接触引起的机械应力n 羽。 此外，美国、日本和欧洲的一些国家还在制动动力试验台上进行模拟试验研 究。 1 1 4 车轮应力的分析 从六十年代开始国外就提出了采用有限元法对制动热负荷下的车轮温度和应 力进行数值模拟计算。对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数值模拟计算中，以研 究以下几个方面的问题： ( 1 ) 车轮踏面裂纹。踏面裂纹是车轮典型损伤之一，一般认为踏面裂纹主要 归咎于停车制动和恒速坡道制动所产生的较高热负荷。但要了解哪种制动负荷对 踏面裂纹的出现影响更大一些，需要研究这两种制动方式下车轮踏面的热应力。 ( 2 ) 由接触应力造成的车轮踏面磨损。车轮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。 ( 3 ) 辐板裂纹。需要分析轮轨接触载荷和制动热负荷下的辐板应力，以考察 辐板疲劳裂纹产生的车轮结构和运用条件因素。第七届国际轮轴会议上，t h o m s 、 g a r h 和n a i r 提出应在弹塑性材料特性下联合研究轮轨载荷与热负荷下车轮辐板的 疲劳强度问题，但他们假设热载荷分析中与轮轨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。 采样二维轴对称模型分析车轮的弹塑性应力较为普遍。如：余红英和樊永生n 3 1 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；刘会英口们计算了径向、横向机械载荷及制动热载荷下车 5 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n 州1 6 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。 c h k n c e n e b n 7 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 r a 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 ，需要数十分钟才能冷却到环境温度。 l u n d e n n 8 1 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 接触压力和制动热载荷联合作用下的疲劳问题，分析了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问题，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。 刘云n 们详细阐述了采用三维弹性模型计算紧急制动工况下提速货车车轮的温 度场和热应力场的方法，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。 第十一届国际轮轴会议上，v c i n o z e m t s e v 等啪1 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 乜妇概括了过去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。 f e r m e r 乜2 3 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 1 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 6 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 口4 1 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n 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。他考虑了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，由轮轨接触载荷产生的车轮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，机械波动应力与制动热应力的叠加方式比较复杂， 这种叠加应力对车轮疲劳损伤的影响也有待深入研究。 1 1 5 车轮的疲劳断裂研究 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。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。 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。文献心钉啪2 7 矧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 等啷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一些要求。k 0 e d e l 等啪儿蚓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点及扩展机理，采用疲 劳抗力分析方法确定了在周期性制动力作用下，不致使裂纹扩展的许用裂纹深度 及相应的许用周向残余拉应力值，确定了整体车轮轮辋踏面制动区的初始裂纹容 许尺寸。张峰3 羽通过试验得出了c l 6 0 车轮钢的常规力学性能及断裂力学参数， 7 研究了断裂韧性与组织性能的关系；通过断裂力学分析，估算出轮辋损伤容限裂 纹尺寸、安全裂纹尺寸及使用寿命，分析了疲劳破损的原因。文献口3 1 在分析车轮 热疲劳损伤的基础上，用g l e e b l e - 2 0 0 0 热模拟试验机模拟车轮制动过程的热一机械 疲劳，测试峰值温度分别为7 0 0 、6 0 0 和5 0 0 ，下限温度为1 0 0 时，车轮钢 在全约束条件下的热疲劳寿命；确定了车轮钢的m a n s o n - c o f f i n 应变一寿命方程的 试验参数。文献儿3 5 3 从车轮实际服役情况出发，试验研究了车轮钢在不同形式机 械循环载荷和不同程度制动热循环载荷下的行为，结合车轮的受力情况和材料特 性、运用疲劳和断裂力学的观点，分析了车轮踏面热裂纹、剥离和轮辋裂纹等主 要损伤现象。 关于车轮疲劳寿命的计算问题，e k b e r g m l 采用当量应力模型预测车轮热疲劳 裂纹萌生寿命，p i s t o r i u s 刚利用实验测出的塑性应变，通过m a n s o n - - c o f f i n 公 式预测车轮的疲劳寿命。 1 2 论文研究目的和方法 弄清8 4 0 d 车轮辐板孔裂纹的成因机理及扩展规律，制定合理的辐板孔裂纹限 度，最终为8 4 0 d 车轮的安全运用及科学管理提供依据。论文旨在： 1 ) 调查分析一定数量的运营货车车轮辐板孔的裂纹故障信息，掌握货车车轮 辐板孔裂纹的比例、形式和尺寸分布，进而统计分析主要相关因素与裂纹发展( 裂 纹尺寸) 之间的定量关系： 2 ) 对典型裂纹车轮进行失效分析，断口测量裂纹扩展速率，确定裂纹的起源 位置、发展模式、产生机理和原因； 3 ) 进行裂纹车轮维修方法研究，评估维修效果； 4 ) 对裂纹成因、扩展规律及裂纹车轮的维修性进行综合分析，提出8 4 0 d 车 轮辐板孔裂纹科学管理建议。 1 3 论文研究内容及结构 本论文的研究内容主要集中在以下四个方面： 1 ) 裂纹调查与统计分析通过分析大量的辐板孔裂纹车轮的统计数据，研究 并建立裂纹尺寸与使用年数，踏面磨耗量，辐板孔位置等多参数影响的统计分析 模型，进而推断裂纹形成寿命，扩展速率及所有在役的3 5 0 万片带辐板孔8 4 0 d 货 车车轮的安全使用现状； 2 ) 裂纹形成及扩展规律的试验研究一对裂纹车轮进行失效分析，断口测量裂 8 纹扩展速率，确定裂纹的产生机理及发展模式，通过大秦线运用裂纹车轮长期跟 踪观测试验结果，研究裂纹扩展条件和扩展速率； 3 ) 裂纹修理方法研究一对带辐板孔裂纹的车轮提出了四种不同的修理工艺， 计算了每一种工艺修理后辐板孔边的应力状态，并对修理效果进行了评估。 9 2 8 4 0 d 车轮辐板子l 裂纹的统计及建模分析 由于辐板孔出现裂纹的8 4 0 d 货车车轮数量众多，不可能全部调查并一一拿来 进行分析，因此通过调查一定数量的运营货车车轮辐板孔的裂纹信息，进而按照 科学的统计方法建模推断在役的3 5 0 万片8 4 0 d 车轮辐板孔的裂纹情况是十分必要 的，也是有依据的和有代表性的。 利用调查得到的车轮辐板孔裂纹信息，做了以下两方面的工作： 1 ) 由裂纹信息的宏观统计分析结果来反映辐板孔车轮的使用现状，这些宏观 统计数据主要包括裂纹车轮比率、不同长度裂纹车轮所占比例分布、裂纹车轮的 使用时间分布，轮辋厚度分布等等； 2 ) 结合疲劳断裂理论、通过概率统计建模，分析得出与辐板孔裂纹疲劳扩展 相关的一些统计指标，如裂纹长度与使用时间之间的关系分布，裂纹在空间上不 同方向长度的统计关系、裂纹扩展与磨耗量之间的统计关系等，用以研究货车车 轮辐板孔裂纹扩展的统计规律。 裂纹统计建模分析结果对准确把握8 4 0 d 车轮辐板孔裂纹安全现状具有非常 重要的意义，是了解裂纹发展规律，确定裂纹容限尺寸的重要依据。 2 1裂纹调查情况简介 结合现场实际，设计了表2 1 所示的8 4 0 d 货车车轮辐板孔裂纹问题调查表。 调查工作历时一个月，调查的单位及车轮数量见表2 2 。 表2 1 裂纹调查表 检修单位：段( 厂)记录日期：2 0 0 4 年月日记录人： 最长裂纹长度 孔 车 车 第 辐边 序 轮 轮裂板轮轮原 炉 生 次辐辐 号 产 组 纹孔辋缘先备 罐 时 装 条 板板 深 厚厚是注 号时 数 内外 度度度 否 间 侧侧 间 方打 向 磨 1 在实际调查中还发现辐板孔的位置( 与轮辋距离) 存在不同程度的差异，因 l o 此为摸清辐板孔位置与裂纹产生的关系，在厂修中调查了3 4 条轮对( 共计1 3 6 个 辐板孔) ，记录每条轮对四个孔的位置( 靠轮辋的孔端到轮辋内端的距离) ，以及对 应的裂纹长度( 或有无裂纹) ，辐板孔位置调查内容如表2 3 所示( 以1 条轮对为 例) 。 表2 2 调查的单位及车轮数量( 轮饼，片) 天津东湖东车南昌南西安东南京东沈阳机车石家庄 检修单位 车辆段辆段车辆段车辆段车辆段车辆厂车辆厂 调查车轮数量 3 5 5 82 7 01 7 6 42 11 42 9 3 l4 7 3 84 9 5 6 ( 片) 合计2 0 3 1 7 ( 其中1 个不带辐板孔) 表2 3 辐板孔位置调查表( 以1 条轮对为例) 轮对序 辐板孔序号 孔离轮辋距离裂纹长度哪个最长 号( n m o( 或有无裂纹)( 画表示) 1 7 5 0 2 6 51 0 l 37 50 46 5o 2 2 调查样本数据分析 ( 1 ) 样本数据来源 裂纹调查在不影响各受调查单位正常检修生产的前提下，充分考虑各种可能 因素，严格遵照表2 1 和表2 3 的调查内容，分别在全路5 个车辆段和2 个厂修工 厂以及二七车辆厂共8 家单位进行。这几家单位分布于全路沈阳、北京、南昌、 郑州和上海铁路局，是日修车量较高的几家单位，这就保证了在较短时间内可以 获得较为丰富的样本数据信息，并在更大程度上保证了数据的广泛代表性。 ( 2 ) 样本数据内容 调查的样本数据内容涉及到了车轮运用的常用信息，调查的对象包括各单位 在调查期间内所有检修涉及的8 4 0 d 货车车轮( 无论有辐板孔裂纹与否) 。针对每 一个调查到的车轮，主要包括了：车轮的炉罐号，车轮生产时间，轮对第一次组 装时间，车轮上辐板孔裂纹条数，最长的辐板孔裂纹在辐板内侧和外侧的长度， 未穿透车轮辐板孔时在辐板孔深度方向的长度，轮辋( 缘) 厚度以及车轮上辐板 孔是否已经过打磨等信息。表2 3 的调查主要是车轮辐板孑l 位置与裂纹的关系，调 查的对象也是在检的运用车轮。 ( 3 ) 样本数据处理 1 ) 对调查表中涉及到的调查内容统一要求，合理限定其范围。比如，一个车 轮上可能存在l 条以上的辐板孔裂纹，调查表2 1 规定填写最长裂纹的相关信息， 重点考虑车轮的最危险情形，这样做不仅可以减少工作量，在工程上也是可行的， 能反映车轮实际运用的危险程度，是合理的。 2 ) 时间处理。由于我国货车车辆没有固定配属，车轮作为标准件是可以互换 的，所以严格来讲车轮的生产时间和轮对第一次组装时间都不能代表车轮的首次 使用时问，这就给出现车轮辐板孔裂纹车轮的使用时间计算带来难度。但是，由 于我国货车数量较多，车轮利用率较高，除极少数备用轮外多数车轮基本上生产 出来就很快投入使用，所以以车轮的生产时间或第一次组装时间来代表车轮的首 次使用时间是可行的；同时在调查中我们也发现轮对的第一次组装时间和车轮的 生产时间绝大多数相差不多，所以经过适当的修正处理，可以利用它们来计算车 轮的使用时间。于是，对于某车轮到调查之日算，其使用时间t 为： t ( 年) _ j z ( 或s ) 其中，j 代表检修日期( 调查日期) ；z 和s 分别代表轮对的第一次组装时间 和生产时间。 数据全部采用e x c e l 记录成电子表格，利用e x c e l 自带的统计菜单统计，部分 数据利用o r i g i n6 0 软件，s p s s 统计软件统计处理。 2 3辐板孑l 裂纹调查数据的宏观统计分析 ( 1 ) 裂纹率 本次调查共得到数据2 0 3 1 7 片，去除1 片不带辐板孔的车轮的调查数据，可 用于辐板孔裂纹统计分析的原始数据共计2 0 3 1 6 片，视为有效调查数据。 在2 0 3 1 6 个有效调查数据中，如表2 - 4 所示，存在辐板孔周向裂纹的车轮共计 4 1 9 7 片，由此计算出裂纹率为2 0 7 。 ( 2 ) 裂纹车轮的裂纹长度分布规律 根据典型裂纹车轮断口分析，辐板孔裂纹起源于辐板内侧，所以以下统计研 究分析的辐板孔裂纹如无特殊说明均指辐板孔内侧裂纹。从统计结果来看，辐板 孔裂纹的长度分散性较大，最小的有2 m m ，最长的则达到6 0 m m 及以上，但是裂 1 2 韭童窑遵厶堂童些亟堂建监塞! q 旦奎整疆堑毡型缠盐统盐曩建拱筮扭 纹长度在2 5 r a m 以下的占绝太多数，约占含有辐板孔内侧裂纹( 周向) 车轮总数( 3 9 9 0 片、的9 62 ，如图2 一l 和表2 - 5 所示。 表2 4裂纹车轮数量与比例分布( 片) 辐扳孔周向裂纹车轮辐板孔 轮片总数 孔内侧裂毂长度有记录 孔内删裂纹长度不清 径向裂纹 3 9 9 0 1 9 6 裂纹卑 在辐板孔深度方向，裂纹深度在l o n = l l n 以下的占绝大多数，只有少量达到 o n u a 及以上尺寸。 1 13 口1 图 l 不同裂纹长度轮饼的比倒分布( 样本总数3 9 9 0 个) 表2 - 5 不同裂纹长度的车轮累计比蜘( 样本总数3 9 9 0 个) # * ( m ) 总数 裂纹车轮( 片18 5 43 1 8 13 9 6 53 9 9 0 景计倒 l 。0 帖 ( 3 ) 裂纹车轮的使用时间分布规律 采用前述的数据处理方式对车轮使用时间( 年限) 做了适当的修正，统计了 产生辐板孔内侧裂纹车轮使用时间分布规律，见图2 2 和表2 - 6 。 出现辐板孔内侧裂纹的车轮使用时间集中在1 0 0 2 0 年，约占裂纹车轮数量的 6 9 ，表明1 0 2 0 年是辐板孔裂纹出现的高峰期。 韭盛奎通占堂主些亟坐位垂奎8 1 q q 芏挂揭堑丑型焦啦煞盐盈建控盆伍 酗2 - 2不同使月j 时间裂纹车轮的比例分布( 样本总数3 9 9 0 个) 表2 4 5 不同使用时间的裂纹车轮累计比仞( 样本总数3 9 9 0 个) 使用时间 - 1 lq盟 - 5 总数 f 年1 o 5 0 5 裂纹车轮 1 0 2 43 7 3 9 3 9 ( 片) 6 0 0 4 7 2 7 0 8 69 0 l52 5 6 2 9 4 9 91 0 累计比例 2 慨s 9 僦 ( 4 ) 裂纹车轮的轮辋厚度分布规律 对存在辐板孔裂纹的8 4 0 d 车轮进行轮辋厚度的统计分析，发现出现辐板孔裂 纹的车轮的轮辋厚度在3 5 5 0 m m 之自j 的约占5 0 、2 3 ( 到限) 3 5 m m 的约占2 6 。 幽2 - 3不同轮辋厚度的裂纹车轮比例分布( 样本总数3 9 9 0 个) 2 4 参数相关性分析 ( 1 ) 辐板孔打磨率与裂纹率的关系 为考察辐板i l 打磨率与裂纹率之间的关系，有针对性地统计了辐板孔打磨与 未打磨之后的裂纹率( 见表2 - 7 ) 以及有裂纹与无裂纹车轮的打磨率( 见表2 - 8 ) 。 从表2 7 和表2 - 8 可以看出经过打磨车轮的裂纹率稍高于未经过打磨车轮的 。乡。 卜日量l蛮 裂纹率，无裂纹车轮的打磨率稍低于有裂纹车轮的打磨率，表明打磨与否对裂纹 率影响不大。因此认为辐板孔打磨对于阻止辐板孔裂纹萌生没有明显作用，可能 的原因是现场使用的打磨圆角太小，没有起到应有的降低孔边应力集中的作用。 当然，辐板打磨肯定有一个好处，就是可以消除辐板孔上的小裂纹，从而使裂纹 重新萌生，可作为辐板孔小裂纹修理的方法。 表2 7 辐板孔打磨与未打磨之后的裂纹率对比 裂纹车轮 总数( 片) 裂纹率( ) ( 片) 经过打磨的车 1 5 8 0 83 4 7 7 2 2 0 轮 未经过打磨的 2 5 7 44 5 51 7 6 车轮 表2 8 有裂纹与无裂纹车轮的打磨率对比 经打磨车轮 总数( 片)打磨率( ) ( 片) 裂纹车轮 4 1 5 33 4 7 78 2 8 无裂纹车轮 1 6 1 5 6 1 2 3 2 6 7 6 3 ( 2 ) 轮辋厚度与使用时间、裂纹率的关系 按以下规则筛选，获得2 0 1 8 8 个有效数据，在这些数据基础上进行统计分析 研究。 轮辋厚度小于2 5 m m 的，视为无效数据； 轮辋厚度大于7 6 m m 的，视为无效数据； 内侧裂纹长度不清的，视为无效数据： 使用时间大于3 0 年的，视为无效数据； 使用时间不清楚的，视为无效数据。 1 ) 轮辋厚度与使用时间的关系 图2 4 给出了2 0 1 8 8 个有效数据的轮辋厚度与使用时间的对应关系，由此可见， 两者的离散性很大，但仍有规律可循。在图2 - 4 的中部，密集成片的数据显示了随 使用时间增加而轮辋厚度有下降的趋势。 为了进一步探索两者之间的关系，按不同使用时间( 共1 1 4 4 个数据点，保留两 位小数) 下的平均轮辋厚度来分析，见图2 5 。当使用时间小于5 年和大于2 5 年时， 轮辋厚度基本保持不变，但离散性很大，这可能与数据量少且数据的准确性有很 i e 夏窑垫点芏主些亟生建垃窑g iq 旦主拉掐趣王l 銎缠曲蕴盐厦建搓盐蚯 大关系；当使用时间介于5 2 0 年之间时，轮辋厚度体现了较好的与使用时间的线 性依赖关系。 总体而言，轮辋厚度每年减少1 3 6 m m ：年- 。这表明，一个段修期( 1 5 年) 下来， 轮辋厚度磨损+ 旋修量约在2 m m 。 2 ) 轮辋厚度与裂纹率的关系 首先分析2 0 1 8 8 个有效数据中的裂纹轮( 见图2 - 6 ) ，轮辋厚度大于等于3 5 r a m 时t 随着轮辋厚度的减小，裂纹轮数量大致线性增加；而轮辋厚度小于3 5 m m 时， 裂纹轮数量急剧下降。这种现象与车轮因轮辋厚度到限而报废，使轮辋厚度小于 3 5 m m 的车轮数量大量减小有关，见图2 - 7 。 由于不同轮辋厚度下的轮片样本数量不同，这里以纹率来分析，见图2 - 8 。图 2 - 8 表明，以轮辋厚度等于4 7 5 m m 为分界，轮辋厚度大于4 7 5 m m 时，裂纹率变 化相对缓慢，保持在1 5 以下：而轮辋厚度小于4 75 m m 时，裂纹率变化较大轮 辋厚度每减小l m m ，裂纹率增加约1 8 7 。这种裂纹率的较快增加，说明轮辋厚 度小于4 75 m m 之后，裂纹萌生或扩展的速率加快了。 当轮辋厚度等于4 75 m m 时，按图2 - 5 估算，其对应的使用时间为1 1 2 年。这 个值与后面研究得出的9 5 可靠度下的裂纹形成寿命相接近，意味着此时裂纹率 的上升主要是裂纹萌生速率加快的原因。 * 月 图2 4 轮辋厚度与使用时间的散点关系 震 匕：! ! 叠竺：i t 月h a 怦 图2 - 5 平均轮辋厚度与使用时间的关系 i m ) 削2 - 6 不同轮辋厚度下的裂纹轮数量分布 图2 - 7 不同轮辋厚度下的轮片数量分布 图2 8不i 司轮辋厚度卜的裂纹率 ( 3 ) 辐板孔裂纹在二维方向上的统计关系规律 在2 0 3 1 6 个数据中，筛选内侧裂纹长度a 和孔深裂纹长度b