（车辆工程专业论文）840d货车车轮辐板孔疲劳裂纹扩展仿真.pdf

北京交通火学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：目前，国内货车仍有很大一部分是使用带有辐板孔的车轮。车轮是机车车 辆重要行走部件，车轮的可靠与否直接关系到整个列车的行车安全。在制动过程 中，由于车轮踏面与闸瓦之问的摩擦产生大量的热，车轮内部会产生较大的热应 力，尤其是在辐板内侧孔边处会有较大的应力集中，经过多次制动循环后，就会 导致裂纹的萌生和扩展。随着车辆的重载化和高速化，车轮的热负荷进一步增加， 对车轮的疲劳寿命带来重大影响。 本论文在阐述有限单元法基本原理的基础上，首先根据车辆轴重、运行速度、 制动距离确定了车轮的制动工况，其次采用大型有限元分析软件a n s y s 进行了车 轮在常用、紧急和坡道制动工况下的瞬态温度场与热应力场计算，并对车轮在机 械载荷作用下的应力场进行计算。 以计算得到的热应力场和机械应力场作为裂纹扩展的应力环境，对辐板孔边 的裂纹子模型进行了计算，并分别对非磨耗车轮和磨耗2 0 m m 车轮在各种制动工 况下的得到的应力强度因子和扩展特性进行了分析。 关键词：车轮；辐板孔；裂纹：扩展；有限元；应力强度因子 分类号：0 2 4 2 1 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c 玎 a b s t r a c t a b s t r a c t ：c u r r e n t l y , ag r e a tn u m b e ro ft h ef r e i c a tc a r si no u rc o u n t r ya d o p tt h e w h e e lt h a th a st w ob o r e si nt h ew e b r a i lw h e e l sa r et h ei m p o r t a n tp a r to ft h er a i l w a y e a r s al o to f h e a te x p e r i e n c e dd u r i n gt h ep r o c e s so f b r a k i n ga r ed u et ot h ef r i c t i o n ，t h e r a i lw h e e la l s oe x p e r i e n c e sm a n yt h e r m a ls t r e s s e s ，e s p e c i a l l yt h er e g i o nn e a rt h eb o r e i n s i d eo f t h ew e b ，as t r e s sc o n c e n t r a t i o nw i l lh a p p e n w h e nt h ei n c r e a s i n go ft h es p e e d a n dl o a d i n go f t h ef r e i g h tt r a i n ，t h eh e a tl o a do f t h ew h e e lw i l lc e r t a i n l yi n c r e a s e ，t h el i f e o f t h er a i lw h e e lm a yb ei n f l u e n c e dt e r r i b l y b a s e do nt h ef l u x i o n a le q u a t i o no ft h e r m a lc o n d u c t i o na n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo ff i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h i sw o r ko b t a i n e dt h ec o n d i t i o no fe m e r g e n tb r a k ea c c o r d i n gt ot h e a x l ew e i g h t ，t h es p a c ea n dt h eb r a k i n gd i s t a n c e t h e nb yu s i n gt h ea n s y ss o f t w a r e ，t h e d i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s su n d e rt h es e r v i c eb r a k e ，e m e r g e n c y b r a k ea n dr a m pb r a k ec o n d i t i o nw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n ds i m u l a t et h e d i s t r i b u t i o no f m e c h a n i c a ls t r e s su p o nt h ew h e e l t h et h e r m a ls t r e s sa n dm e e h a n i c a ls t r e s sa r ea p p l i e da st h es t r e s se n v i r o n m e n tf o rt h e c r a c ks u b m o d e lc a l c u l a t i o nn e a rt h eb o r ei n s i d eo f t h ew e bp l a t e a l s ot h ew e r ki n c l u d e s t h ea n a l y s i so ft h es t r e s ss t r e n g t hf a c t o ra n dc r a c kp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e n o - w o r ea n dw o r e2 0 r a mw h e e lu n d e rv a i l o u sb r a k ec o n d i t i o n k e y w o r d s ：w h e e l ；w e bp l a t eb o r e ；c r a c k ；p r o p a g a t i o n ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； s t r e s ss t r e n g t hf a c t o r c l a s s n 0 ：0 2 4 2 1 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：王冬 签字日期：如d 6 年f 1 月如日 导师签名：歹翦笼 签字日期：加g 年l 明如日 致谢 本论文的工作是在我的导师李强教授的悉心指导下完成的，李强教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来李强老 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，在此向谢老师表示衷心的谢意。 缪龙秀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，王文静老师和郑红霞同学对我论文中的研究 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，感谢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 1 1 选题背景和意义 1 绪论 铁路运输是最重要的陆路交通之一，在我国的国民经济中占有极其重要的地 位，货物周转量在各种运输方式占5 4 。即使是在公路运输最发达的美国，铁路 仍然在大宗货物运输和联合运输中发挥着不可替代的重要作用。铁路货物运输不 论是运量还是节能都是最具发展前景的产业，不论是在我国还是在世界各发达国 家都是朝阳产业，在货物运输中都占有主导地位。 当今，世界铁路都在向重载、快捷的方向发展。货运重载化和快捷化是世界 铁路运输两次大的战略调整，在巩固和扩大铁路市场份额中显示出强大的生命力。 重载货物运输作为一种重要的运输组织方式，始于2 0 世纪5 0 年代的北美铁路， 并在世界范围内得到迅速地发展。铁路重载运输广泛采用新材料、新工艺、电力 电子、计算机控制和信息技术等现代高新技术，使重载运输技术及装备水平得到 很大的提高。重载货车向大轴重、低自重、低动力作用的方向发展，最大轴重已 超过3 0 t 。在我国发展高速重载货物运输，是铁路现代化的需求和重点，主要目的 就是提高货物列车重量，增强货物输送能力，以提高线路通过能力，缓解目前我 国铁路运输能力紧张的状况。我国大秦线己开行了1 0 0 0 0 t 重载列车，2 0 0 4 年运能 已提高到1 5 亿。目前，大秦线试验了并将开行2 0 0 0 0 t 重载列车。要实现铁路货 物运输的重载和高速的目标，一是要全面进行技术创新，完成相关配套的技术； 二是既有运输设备在进行安全性和可靠性评估的基础上改进、改造，使其能够满 足运输发展的需要。 铁路货车是铁路货物运输的基本装备，车轮是铁路车辆的关键部件之一，它与 钢轨直接接触并支撑着车体重量，承受垂直作用在踏面上的轴重和作用在轮缘上 的横压，并把驱动力和制动力传递给钢轨，引导车辆运行。目前，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由8 0 k m h 向1 2 0 k m h 发展，随着列车速度和轴重的提高，作为关键部件的车轮的使用条件 越来越苛刻，要求也越来越高，在使用过程中出现的失效故障呈明显上升趋势。 近年来，我国铁路货车车轮辐板孔裂纹故障非常严重，裂纹高发的有辐板孔车 轮占车轮总量的7 3 ，3 6 2 万片。特别是2 0 0 4 年8 月以来，在检修车轮中辐板孔 裂纹的比例在直线上升，达到7 7 ，对铁路运输安全构成严重威胁。例如，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破损引发重大行车事故，此后又 北京交通大学硕士学位论文 连续发生两次车轮崩裂事故和多起在列车中发现车轮辐板裂纹超过5 0 0 m m 。在对 检修车轮统计结果表明，有辐板孔裂纹的车轮数量占车轮总数的1 5 左右，并且 有上升趋势。因此，解决当前货车车轮辐板孔疲劳裂纹问题已成为迫切需要研究 的课题。为满足铁路运输用车的需要和保证铁路运输安全的需要，继续寻求解决 途径，一是要对在役车轮的安全可靠性做出正确和准确的评价；二是要对故障车 轮的修复性寻求途径，充分利用车轮的剩余寿命。另一方面，随着铁路货物运输 的提速、重载发展，对无辐板孔的新型车轮适应提速、重载的能力提出了更高的 要求，也需要开展对新型货车车轮辐板疲劳断裂行为进行研究，优化车轮结构。 本论文工作旨在利用有限元法研究8 4 0 d 货车车轮辐板孔裂纹的扩展规律，通 过仿真计算车轮辐板孔裂纹的扩展速率，并对其特性进行研究。 1 2 研究现状 1 2 1 国内外研究概况 为了满足高速重载对铁路车轮的要求，各国科学技术人员开展了大量的研究工 作。研究工作主要集中在四个方面：( 1 ) 车轮钢材质及其性能的改进提高：( 2 ) 车轮的各种伤损形态及其形成机理；( 3 ) 车轮疲劳性能与寿命评估；( 4 ) 车轮的 设计与优化。 对于车轮的伤损和机理的研究，国内外有大量的文献，特别是国内在这方面 做了大量的研究工作，张斌等i5 】在对大量失效车轮的分析研究基础上，归纳了车轮 的伤损类型及其实效机理，并形成了伤损特征图谱。然而大量的伤损研究集中在 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。当然， 这也说明了车轮面临的最突出问题集中在踏面上。对于辐板伤损，以往多是因车 轮偶发的制造缺陷而出现的裂纹、掉块等，而随着车轮制造工艺的改进、产品质 量的提高，这种辐板伤损已越来越少见。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 车轮更是面临 极高比例的辐板孔疲劳裂纹问题。 本文将在对辐板孔裂纹型式尺寸调查的基础上，建立三维不规则裂纹的有限 元模型和断裂力学理论分析模型，着重分析常用制动、紧急制动和坡道制动条件 下的瞬态温度场，应力场和应力强度因子，并结合车轮辐板的断裂力学参数寻求 裂纹的扩展规律。 2 1 绪论 1 2 2 车轮及车轮钢 车轮按其构造可以分为带箍车轮和整体车轮：按其材质可以分为铸钢车轮和 辗钢车轮：我国铁道车辆用车轮按直径可分为9 1 5 m m 车轮和8 4 0 m m 车轮，前者 用于客车，后者用于货车：按照踏面形状可分为锥形车轮踏面( t b 型) 和磨耗形 车轮轮缘踏面外形( l m 型) ：按辐板形状可分为直辐板车轮和s 型辐板车轮 本文所讨论的8 4 0 d 车轮为目前广泛用于货车的辗钢整体车轮，为l m 型踏面 及s 型辐板，钢种为g b 8 6 0 1 8 8 中的c l 6 0 钢，尺寸规格如下表1 1 ，车轮模型如 图1 1 。 表1 1 车轮基本尺寸参数 t a b l e1 1b a s i cd i m e n s i o np a r a m e t e r so f w h e e i 轮辋内侧轮毅孔轮毂理论 轮径毂长毂高 内径直径外径 重量 ( m m )( m m )( r a m ) ( m m )( r a m )( 姗) ( k g ) 8 4 07 1 01 7 02 7 31 7 81 3 53 5 1 图1 1 车轮三维实体模型及各部分名称 f i g1 1w h e e l3 ds o l i dm o d e la n dn a m eo f e a c hp a r t 1 2 3 车轮辐板孔初步失效分析 失效分析使得人们可以从微观方面阐述产品失效的本质、规律和原因，铁路 车轮和轮毂失效分析中常用的实验检测技术主要有：失效形态的观测和分析：金 北京交通大学硕士学位论文 属基体组织、非正常组织及非金属夹杂物的观测和分析；表面和内部缺陷的无损 检测和分析；化学成分的检测和分析：力学性能和断裂力学性能的检测和分析等。 图1 2 为典型的辐板孔带裂纹的图片，图1 | 3 为裂纹打开后的断口形貌，通过 断口分析确定裂纹扩展的规律和特点。通过宏观失效形态特征的观察和分析，可 以推断出可能的失效类型和原因。 图1 2 车轮辐扳孔边裂纹示意图 f i g1 2s k e t c ho f c r a c ko nw h e e lw e bp l a t eb o r e 图i 3 车轮辐袄孔边裂纹剖面及扩展方向 f i g1 3s e c t i o no f c r a c ko i lw h e e lw e bp l a t eb o r ea n dp r o p a g a t i o nd i r e c t i o n 车轮的表面裂纹或内部裂纹在使用应力作用下疲劳发展到临界尺寸后，剩余截 面不能再承受使用应力而发生的完全破裂现象称为断裂。断裂后的自然表面称为 断口。根据断裂形态和断口的宏观形态特征，可以确定断裂的类别、断裂源和裂 纹扩展方向。断裂全过程按裂纹发展特性，一般可分为裂纹的起源，裂纹的疲劳 发展，瞬时断裂三个阶段。如果断裂过程中有明显的裂纹疲劳发展阶段或裂纹疲 劳发展阶段不明显，则称为脆性断裂。 从图1 3 可见，断口宏观形貌可以看出裂纹起始于辐板内侧辐板孔边，断口是 4 1 绪论 典型的疲劳断口，有表征着裂纹扩展的海滩条带，裂纹扩展方向由内侧面沿圆周 方向和孔深方向呈弧线形扩展，可以断定辐板孔裂纹断口为疲劳断口。 钢的化学成分对钢的物理性能、机械性能与工艺性能都有显著影响。一般随着 含碳量( c ) 的增加，钢的强度性能( 屈服强度、抗拉强度、硬度) 提高。但塑性 和韧性降低；硅( s i ) 能提高钢的强度和硬度，含量超过3 时，会降低钢的塑性 和韧性：锰( m n ) 能消除或减弱因硫引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能， 也能溶于铁素体而强化铁素体基体，提高钢的强度和硬度以及淬透性；硫( s ) 和 磷( p ) 会导致热脆性，显著降低钢的塑性和韧性，需严加控制；残余元素铬( c r ) 、 镍( n i ) 和铜( c u ) 可改善钢的抗氧化性能、改善钢的低温性能的韧性、改善低 合金钢的抗大气腐蚀能力。 表1 2 c l 6 0 钢的化学成分( ) t a b l e1 2c h e m i c a li n g r e d i e n to f c l 6 0s t e e l ( ) 牌号碳 硅 锰硫 磺 铬镍铜 c l 6 0o 5 5 0 6 50 1 7 0 3 70 5 0 - o 8 0 0 0 4 0( 0 0 3 5 o 2 5 l ，称为超松弛迭代法( s o r ) 法。可 以证明如果线性方程的系数矩阵k 】为对称正定矩阵，w 的选取满足o w 0 ，盯。 o ，盯。= 盯。机械 o ，盯。= d r m 机械 o ，仃。= o r m 。机械 o 。具体计算结果见表 6 4 。 表6 4 机械载荷+ 坡道制动：c 况下车轮有效应力强度因子范围 t a b l e6 4c r a c ke f f e c t t v es t r e s ss t r e n g t hf a c t o rs c o p e u n d e rm e c h a n i c a ll o a d + r a m pb r a k ec o n & t i o n ( a ) 非磨耗车轮 ( a ) n o w o r nw h e e l 直线+ 坡道 曲线+ 坡道 裂纹长轴长度a 长轴丛短轴a k 长轴k短轴k ( m m ) ( 坳n 磊)( m p a 磊)( 坳d 鬲)( 坳n 而) 31 6 5 3 11 2 4 1 21 6 8 0 2 1 2 2 6 5 2 1 9 2 81 6 7 5 22 i 8 9 21 6 1 6 9 1 02 6 5 7 22 2 1 9 22 6 6 6 12 1 2 8 9 2 03 1 3 7 32 0 4 9 3 1 | 6 0 31 8 9 8 3 03 4 6 5 81 5 4 9 63 4 8 8 61 3 8 7 4 03 5 8 6 11 1 4 8 83 6 。1 1 41 0 0 5 ( b ) 磨耗2 0 m m 车轮 ( b ) w o m2 0 m mw h e e l 直线+ 坡道 曲线+ 坡道 裂纹长轴长度a长轴丛短轴脒 长轴k短轴a k ( m m ) ( m p a 4 磊)( 坳d 石) ( m p a 4 - 磊)( 坳n 磊) 3 1 9 ，2 9 61 5 8 2 41 9 6 4 41 5 5 4 8 52 4 3 7 82 0 6 8 72 4 5 5 82 0 2 1 3 i o3 0 4 0 42 7 2 4 13 0 8 4 2 2 6 2 4 9 2 03 7 1 0 62 5 3 5 73 7 8 6 32 3 3 3 8 3 04 0 2 6 51 9 5 9 94 1 0 4 7 1 7 4 6 4 04 1 ，3 31 5 3 1 7 4 2 1 2 51 3 3 6 6 3 3 辐板孑l 裂纹扩展速率的计算和分析 6 3 3 1 辐板材料参数 根据马钢技术中心的m t 8 1 0 实验机上进行的实验测试结果，8 4 0 d 车轮辐板 6 辐扳孔裂纹的扩展分析 裂纹扩展参数如下( 取扩展较快的数据) ： 裂纹扩展速率： d a ：1 9 6 5 7 1 0 “( k ) 4 ”1( 6 1 ) d n 、 断裂韧性： k 1 。= 5 3 3 3m p a 4 m ( 6 - 2 ) 扩展门槛值取轮辋扩展相关参数： x , h = 6 0 m p a m ( 6 - 3 ) 按照扩展门槛值可以预测出：车轮在仅有机械载荷的作用下几乎不会造成裂 纹的扩展；常用制动工况下，在裂纹长轴尺寸小于5 m m 时，裂纹基本不扩展，长 轴尺寸为5 m m 时，裂纹沿辐板轮轴方向有微小扩展，而沿辐板孔深度方向则没有 扩展；在紧急制动和坡道制动工况下均会造成裂纹的扩展。 6 3 3 2 扩展速率的计算和分析 计算时不考虑应力比的影响，采用上一节得到的有效应力强度因子范围进行 计算，所得结果如下表6 4 6 5 ： 表6 a 非磨耗车轮在各种制动工况下的计算结果 1 曲1 e6 4c a l c u l a t i o nr e s u l to f n o - w o m r h e e lu n d e rv a r i o u sb r a k ec o n d i t i o n ( a ) 常用制动工况 ( a ) s e r v i c eb r a k e 直线+ 常用曲线+ 常用 裂纹长轴长度a 长轴= d a 短轴一d a 长轴= d a 短轴生d n ( m m ) d nd nd n ( c y c l e )( m c y c l e )( m c y c l e )( n l c y c l e ) 3 51 6 2 e 71 5 8 e - 7 1 04 4 0 e 73 7 l e 74 6 3 e - 72 1 3 e - 7 2 01 1 1 e 65 3 0 e 71 2 3 e 62 1 8 e - 7 3 01 6 7 e 63 2 9 e - 71 8 4 e 61 1 2 e - 7 4 0 1 9 6 e 6 1 9 3 e 7 2 1 7 e 66 6 3 e 8 北京交通火学硕士学位论文 ( b ) 紧急制动工况 e m e r g e n c yb r a k e 直线+ 紧急曲线+ 紧急 裂纹长轴长度a 长轴d a短轴生长轴鱼短轴鱼 ( m m ) d nd nd nd n ( c y c l e )( m c y c l e )( m c y c l e )( m c y c l e ) 34 3 0 e 71 4 3 e 75 0 0 e 7 1 2 8 e 7 5l 7 2 e 66 1 2 e - 71 6 9 e 64 4 7 e 7 l o4 4 0 e 62 5 5 e 64 5 4 e 6 1 7 8 e 6 2 01 0 3 e 5 2 4 4 e 61 1 0 e 51 3 0 e 6 3 01 5 9 e 59 7 6 e - 71 6 9 e 54 2 3 e 7 4 01 8 7 e 53 8 6 e - 72 0 0 e 5 1 5 6 e 7 ( c ) 坡道制动工况 ( c ) r a m pb r a k e 直线+ 坡道曲线+ 坡道 裂纹长轴长度a 长轴d a短轴= d a 长轴一d a 短轴生 ( n u n ) d nd nd n d n ( m c y c l e )( m c y c l e )( n l c y c l e )( m c y c l e ) 31 0 5 e 52 7 3 e 61 1 3 e 5 2 5 7 e 6 53 9 6 e 5 1 1 2 e - 53 9 3 e 59 4 5 e 6 1 09 7 7 e 54 1 9 e - 59 9 2 e 5 3 4 4 e 5 2 02 1 3 e - 42 8 8 e 52 2 1 e - 42 0 1 e 5 3 03 4 1 e - 47 7 4 e 63 5 l e 4 4 6 0 e 6 4 04 0 0 e - 4 1 9 0 e 64 ，1 3 e - 41 0 1 e 6 表6 5 磨耗2 0 m m 车轮在各种制动工况下的计算结果 t a b l e6 5c a l c u l a t i o nr e s u l to f w o r n2 0 m mw h e e lu n d e rv a n o u sb r a k ec o n d i t i o n ( a ) 常用制动工况 ( a ) s e r v i c eb r a k e 直线十常用曲线+ 常用 裂纹长轴长度a 长轴d = a 短轴i d a 眭轴一d a短轴一d a ( n u n ) d nd n d nd n ( m c y c l e )( m c y c l e )( m c y c l e ) ( m c y c l e ) 3 51 8 2 e 71 3 5 e - 72 0 5 e 79 4 7 e 8 1 05 7 8 e 76 3 l e 77 2 4 e - 73 6 6 e 7 2 01 5 8 e 69 4 1 e - 72 1 5 e 63 2 2 e 7 3 02 1 5 e 66 1 7 e - 7 2 9 1 e 61 7 4 e 7 4 0 2 4 4 e 一6 3 7 7 e - 73 2 9 e 61 0 4 e 7 7 4 6 ，辐板孔裂纹的扩展分析 ( b ) 紧急制动工况 ( b ) e m e r g e n c yb r a k e 直线+ 紧急 曲线+ 紧急 裂纹长轴长度a 长轴鱼 短轴_ d = a 长轴d a短轴d a ( m m ) d nd nd nd n ( m c y c l e ) ( m c y c l e ) ( ，c y c l e )( m c y c l e ) 3 7 9 0 e - 73 7 4 e 79 3 5 e - 7 3 1 8 e 7 52 4 5 e 6l - 3 6 e 62 6 2 e 6l 1 0 e 6 1 0 7 6 4 e 65 5 2 e 68 7 1 e - 6 3 9 5 e 6 2 02 0 5 e 55 5 0 e 62 4 6 e 52 7 0 e 6 3 02 8 7 e 52 3 7 e 63 4 3 e 59 4 6 e 7 4 0 3 0 7 e 5 1 0 1 e 63 6 6 e 53 6 7 e 7 ( c ) 坡道制动工况 ( c ) r a m pb r a k e 直线+ 坡道曲线+ 坡道 裂纹长轴长度a 长轴一d a 短轴d a 长轴鱼 短轴嘉 ( m m ) d nd n d n ( t 7 1 ，c y c l e )( m ，c y c l e ) ( m ，c y c l e ) ( m c y c l e ) 32 1 7 e 一58 5 4 e 62 3 6 e 5 7 8 6 e 6 56 5 1 e 一53 0 1 e - 56 7 4 e 52 7 0 e 5 1 01 8 4 e - 41 1 0 e - 41 9 7 e - 4 9 2 2 e 5 2 04 6 9 e - 47 8 4 e 55 1 6 e - 45 3 1 e - 5 3 06 8 9 e - 42 3 4 e - 57 5 4 e - 41 3 6 e - 5 4 07 7 9 e - 47 3 3 e 68 5 2 e - 43 8 5 e 6 通过比较裂纹长短轴的扩展速率可以看出，裂纹沿辐板周向的扩展明显快于 沿辐板孔深度的扩展，并且随着裂纹尺寸的增加，长轴扩展是越来越来快的，对 于短轴，其扩展则是在裂纹尺寸不大时有小幅度增加，一般当裂纹长轴尺寸大于 1 0 r a m ，短轴的扩展则是越来越来慢的。因此，决定车轮辐板使用剩余寿命的是裂 纹长轴的扩展速率。以下主要对裂纹长轴的扩展特性进行分析。 图6 2 给出了各种制动工况下裂纹扩展速率随裂纹尺寸变化的对比曲线。 北京交通大学硕士学位论文 o 4 o e 一0 5 呈3 5 e 一0 5 、3 o e 一0 5 静2 5 e 一0 5 翌2 o e 一0 5 b1 5 e - 0 5 芍i o g 一0 5 笺5 o g - 0 6 0 o g + 0 0 02 03 04 05 0 裂纹长轴尺寸m m 一十一直线+ 常用( 磨耗) 一直线+ 常用( 非磨耗) - 曲线+ 常用( 磨耗) - - 曲线+ 常用( 非磨耗) a 常用制动 as e r v i c eb r a k e o2 03 04 05 0 裂纹长轴尺寸m m 一十一直线+ 紧急( 磨耗)- 曲线+ 紧急( 磨耗) 一直线+ 紧急( 非磨耗) x - - 曲线+ 紧急( 非磨耗) b 紧急制动 be m e r g e n c yb r a k e 7 6 6 6 6 6 6 6 7 o o 0 0 o o o 0 o 一 一 一 一 一 一 一 十 e e e e e e e e 5 0 5 o - 3 0 0 0 3 3 2 2 l 1 5 0 o_【。各j静艘s基出搿 6 辐板孔裂纹的扩展分析 01 02 03 04 05 0 裂纹长轴尺寸m m 一+ 一直线+ 坡道( 磨耗)l 曲线+ 坡道( 磨耗) + 一直线+ 坡道( 非磨耗) _ 曲线+ 坡道( 非磨耗) c 坡道制动 c r a m p b r a k e 图6 2 各种制动工况下裂纹扩展速率随裂纹尺寸的变化 f i g6 2v a r i e t yo f c r a c kp r o p a g a t i o ns p e e df o l l o wu pc r a c kp r o p a g a t i o nd i m e n s i o n t r a d e rv a r i o u sb r a k ec o n d i t i o n 通过对比各图中的磨耗轮和非磨耗轮曲线可知磨耗轮的扩展较非磨耗轮扩展 更快，这主要是由于磨耗轮辐板内侧在制动过程中承受更大的拉应力，并且在裂 纹尺寸较小时，两种车轮的扩展速率相差不大，而随着裂纹尺寸的增加，两者的 扩展速率差值逐渐拉大，而且是越来越大。对比制动+ 直线和制动+ 曲线运行工况 的曲线可知在同样的制动条件下，制动+ 曲线运行下裂纹扩展的更快，这主要是由 于曲线运行轮缘承受的横向力使辐扳内侧有更大的拉应力。通过对比a 、b 、c 各图 纵坐标的数值可知坡道制动工况下裂纹扩展速率最大，常用制动最小，三种制动 工况下裂纹扩展速率数值各相差了一个数量级，可见在不同制动条件下，疲劳裂 纹扩展特性的差异是相当大的。 通常在列车运行过程中，车轮的受载工况是十分复杂的，各种制动工况时有 发生。由于紧急制动工况较常用制动工况危险，本文也考虑了该工况下裂纹的扩 展情况，后经制动专家认为，紧急制动在实际运行过程中发生频率较小，而常用 制动的发生是最为普遍的，但通过上述分析可知，坡道制动一次的裂纹扩展量远 远大于常用制动，因此长大坡道制动严重影响了车轮的使用寿命。 在裂纹长度小于等于4 0 m m 时，坡道制动工况下非磨耗车轮的裂纹扩展速率 约为o 0 1 0 4 m m 次，磨耗2 0 r a m 车轮的裂纹扩展速率约为o 0 2 o 8 5 r a m 次； 常用制动下裂纹的扩展速率小于o 0 0 3 5 m m 次。 44-444 4-44d-0咖啪咖咖哪鲫哪咖啪 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 。一。各m静蠲s暴举醛裂 北京交通大学硕士学位论文 进行车轮疲劳裂纹试验时，选取裂纹长度为1 5 r a m 的车轮，分别在2 1 t 垂向载 荷、7 t 横向载荷作用下，经历3 0 0 万次疲劳循环，裂纹未见扩展，其裂纹扩展速 率d , - t 3 3 x1 0 r a m c y c l e 。 为了推算每年的裂纹扩展量，根据仞步了解的情况和专家经验，采用如下参 数：货车每年运行1 0 万k m ，常用停车制动平均为5 0 k m 制动一次，并假设坡道 制动次数为总制动次数的i ，在裂纹长度小于等于4 0 r a m 时，各尺寸裂纹年扩展 量的近似计算结果如下表所示。 ( 注：以上所述裂纹长度均指裂纹长轴的长度) 表6 6 不同尺寸裂纹的年扩展速率 t a b l e6 6 p r o p a g a t i o n s p e e d p e r y e a r o f v a r i o u s d i m e n s i o n c r a c k 未 扩展速率m m 年 a = 3 m mo 2 3 a - ) t o n i l 1 0 a = 1 0 m m2 9 1 非磨耗车轮 a = 2 0 m m6 8 8 a = 3 0 m m1 0 7 0 a = 4 0 m m1 2 。6 0 a = j r n r n0 4 7 a = 3 n n 1 7 6 a = 1 0 m m5 3 9 磨耗2 0 m m 车轮 a = 2 0 m m1 4 6 2 a = 3 0 m m 2 0 9 0 a = 4 0 m m2 3 6 2 辐板孔裂纹分别沿辐板内侧和辐板孔深度方向扩展。其扩展速率主要受运行 工况尤其是制动工况的影响。不同的制动工况下裂纹的扩展速率有明显的区别， 裂纹的扩展属于低周循环；根据试验和计算。单纯的机械载荷作用下，辐板孔裂 纹的扩展速率是极低，为l o 一7 数量级；制动( 常用、紧急和坡道) 工况与机械载荷 的组合条件下裂纹的扩展速率是比较大的。辐板孔裂纹的扩展速率随着裂纹的扩 展而逐渐变大( 见表6 6 ) ，当裂纹扩展到3 0 r n m 以上尺寸时，扩展速率是非常大 的，可以导致车轮迅速失稳。 6 辐板孔裂纹的扩展分析 6 4 裂纹容限的研究 6 4 1 容限制定的原则 一、安全可靠性 铁路货运的安全性不仅关系到国民经济，更是关系到铁路旅客生命安全的大 事。因此，制定货车车轮辐板孔裂纹限度，首先是满足安全和可靠性原则。在本 文的仿真计算分析中，都贯彻了这个原则。因此，总体而言，依据这些研究结果 所提出的裂纹限度是偏于保守和安全的。 二、科学可行性 大量车轮辐板孔存在裂纹的事实以及已有的研究结果表明，辐板孔裂纹是疲 劳与断裂为主的科学问题，它的萌生与扩展必然遵循疲劳断裂力学的科学规律。 因此，本文的大量计算和研究工作是充分利用了疲劳与断裂力学的成熟研究成果 之后进行的。 三、工程实践性 指定裂纹限度，最需要知道的是裂纹扩展速率和临界扩展裂纹尺寸。根据文 献【4 2 1 ，对7 2 5 事故车轮的断1 ：3 进行标定，对裂纹粗稀疏弧线和细密弧线进行统计， 由断口扩展以及裂纹转向提供了临界裂纹长度信息，裂纹扩展到3 5 m m 处时扩展 迅速，快速撕裂。 考虑大量车轮存在裂纹，但目前仅个别车轮因辐板孔裂纹而崩轮的事实，说 明8 4 0 d 车轮辐板孔存在一定裂纹长度时仍可安全使用一定时期。 6 4 2 裂纹容限的制定 根据调查与统计分析、断1 ：3 标定和定量的测量分析，并根据文献【4 2 1 确定最小 临界裂纹尺寸约为3 5 m m 。 由于在车辆的辅修和临修中难以检测裂纹，因而检修裂纹间隔定为一个段修 期，为1 5 年。 首先确定人的肉眼可观测到的裂纹初始尺寸，可设定该值为0 2 m m 0 5 m m 。 对于非磨耗轮，根据本文的年扩展量计算结果进行插值计算，可得最快裂纹 扩展速率为1 1 8 m m 年，则在一个段修期内的裂纹扩展量最大为1 1 8 x1 5 = 1 7 7 m m ， 裂纹限度为3 5 1 7 7 = 1 7 3 m m 。 对于磨耗车轮，同样进行插值计算，可得最快裂纹扩展速率为2 2 6 3m m 年， 则在一个段修期内的裂纹扩展量最大为2 2 6 3x1 5 = 3 3 9 m m ，裂纹限度为 北京交通丈学硕士学位论文 3 5 3 3 9 = 1 1 m m 。 另外，考虑到辐板孔裂纹检查时的漏检因素的客观存在，指定裂纹容限时还 应考虑裂纹检查的方便和准确性。因此保守一点考虑，对于非磨耗车轮，将裂纹 的使用限度定位1 5 r a m ，即对于非磨耗车轮，辐板孔存在1 5 r a m 及以下长度裂纹时， 可以继续使用到下一个段修期。而对于磨耗车轮，当发现裂纹存在时为安全起见 应该停止使用。 6 5 小结 本章在上一章计算结果的基础上对8 4 0 d 车轮辐板孔边裂纹扩展的特性进行 了分析，主要计算了裂纹的扩展速率，给出了非磨耗车轮和磨耗2 0 r a m 车轮在各种 组合工况下的裂纹扩展速率并进行绘图分析。 1 裂纹沿辐板周向的扩展明显快于沿辐板孔深度的扩展，并且随着裂纹尺寸的增 加，长轴扩展越为显著。 2 通过分析对比各种组合工况下的裂纹长轴扩展速率，可以明显看出三种制动工 况下，坡道制动下其数值最大，达到1 0 4 数量级；紧急制动工况下其次，数量 级为1 0 4 ；常用制动下数量级仅为1 0 ，由此可见坡道制动对车轮造成的损伤 程度是最为严酷的。 3 磨耗2 0 r a m 车轮对裂纹扩展的影响较非磨耗车轮更为显著，因此车轮经旋修后， 其使用寿命也会大大降低。 4 过曲线情况下对裂纹扩展的影响较直线运行情况下更为显著。 5 综合考虑各种因素并结合年制动情况的经验数值可大致推测不同尺寸裂纹的年 扩展速率，可见无论是对于麽耗车轮还是非磨耗车轮，其扩展速率都是随着裂 纹尺寸的增加而增大，尤其是对于磨耗车轮，当裂纹尺寸接近临界值时，其扩 展速率可在8 1 0 4 m m c y e l e 以上，年扩展量在2 0 r a m 以上，扩展量是相当大的， 可导致车轮迅速失稳报废。 5 对于非磨耗车轮，其裂纹容限制定结果为若检测到辐板孔存在1 5 r a m 及以下长 度裂纹时，可以继续使用到下一个段修期( 1 5 年) 。 8 0 7 结论与展望 7 1 总结 7 结论与展望 车轮是机车车辆重要的行走部件，车轮的可靠与否直接关系到整个列车的安 全。本论文采用有限元数值模拟技术，对8 4 0 d 货车车轮在制动过程中的温度场以 及热应力场以及机械载荷下的应力场进行了仿真研究，并根据仿真结果，对车轮 辐板孔边裂纹的扩展进行了扩展仿真分析。本论文的研究包括以下内容： 7 1 1 有限元基本理论 1 根据有限兀理论在传热学中的应用，得到温度场计算的边界条件和本构方程： k 弦 + i n # 。讲r = p 。 2 根据热应力的有限单元法分析，在温度场计算结果上得到热应力场计算的边界 条件和本构方程：医1 8 = 犯 。 3 根据机械应力有限单元法的分析，得到机械应力场的边界条件和本构方程： k 缸 = p ) 7 1 2 车轮在各种制动工况下的温度场和应力场分析 7 1 2 1 车轮在各种制动工况下的温度场模拟 1 依据车轮的制动工况，确定了温度场数值模拟的边界条件，即从摩擦功率法和 能量转换法确定了热量输入的计算方法。 2 磨耗轮的孔边温度明显高于非磨耗轮。坡道制动下辐板孔边温度最高，紧急制 动其次，常用制动最低。并且磨耗轮的温度梯度峰值大于非磨耗车轮的温度梯 度峰值。 北京交通大学硕士学位论文 7 ，1 2 2 车轮在各种制动工况下的热应力场模拟 1 研究了车轮热应力计算的有限元方法，确定了计算车轮热应力所需要的边界条 件。 2 各种制动工况下，辐板孔边径向应力水平从辐板内侧到外侧是逐渐降低的，坡 道制动下应力变化更为显著，磨耗车轮的应力变化较非磨耗车轮更为显著。辐 板孔内侧孔边应力沿车轮周向的变化是先迅速下降而后区域平缓，可见辐板孔 边的应力是较为显著的，尤其是长大坡道制动会导致此区域有较大的长时稳态 的拉应力，这也是导致车轮失效的首要原因。并且磨耗车轮辐板内侧拉应力状 态较非磨耗车轮更为严酷。对于各种制动工况，造成的辐板孔边的应力依次为 零一拉疲劳循环。 7 1 3 车轮在机械载荷工况下的应力场分析 i 研究了车轮机械应力计算的有限元方法，确定了计算车轮机械应力所需要的边 界条件。 2 车轮辐板内侧孔边径向应力在每次应力循环下都会出现两次峰值，过衄线运行 下应力沿辐板孔深度的变化较为显著，由辐板内侧的拉应力逐渐变为辐板