表面撞击坑对高铁车辆空心车轴运行安全性评估的影响

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1、表面撞击坑对高铁车辆空心车轴运行安全性评估的影响　　摘要：　　基于断裂力学理论对含表面撞击坑高铁车辆空心车轴进行疲劳断裂安全性分析.考虑车轮与车轴、齿轮与车轴的过盈配合效应，在压装部引入残余压应力，根据车轴实物撞击坑形貌和尺寸建立仿真模型；采用385km/h高铁车轴实测动应力，经变换获得一维七级载荷谱.分析结果表明：对于深度为300μm的撞击抗，缺陷最深处的应力强度因子约为0.75MPa?m1/2，远小于BS79102005标准规定值，据此认为带有单个深度为300μm撞击坑的空心车轴在正常服役期内不会发生裂纹萌生和扩展.研究结果可为我

2、国高速列车检修规程和无损检测周期的制定提供参考.　　关键词：　　高速列车；空心车轴；损伤容限；撞击坑；疲劳裂纹；有限元　　中图分类号：U270.33；O346.1；O242.21　　文献标志码：B　　Abstract：　　Basedonthefracturemechanicstheory，thefatiguecracksafetyisanalyzedforahighspeedrailwayvehiclehollowaxlewithsurfaceimpactpits.Consideringtheinterferencefiteffect

3、ofwheelaxleandgearaxle，theresidualcompressivestressis10introducedintothepressfitsandthesimulationmodelisbuiltbytheprofileandsizeoftheactualimpactpitsonaxlesurface.The1Dsevenstageloadspectrumisobtainedfromthetransformedmeasureddynamicstressofa385km/hhighspeedtrainhollowa

4、xle.Itisidentifiedthat，astoasinglepitwithadepthof300μm，thestressintensityfactorofthenodewiththelargeststressisabout0.75MPa?m1/2，whichisfarsmallerthanthatinBS79102005，andsoasinglecraterwithadepthof300μmcannotleadthecrackinitiationandpropagationofhollowaxlewhichisinnormal

5、operation.Thesafetyofaxlescanbeensured.TheresearchresultprovidesimportanttheoreticalreferenceandscientificsupportforthearticlesofthemaintenanceoftheChinahighspeedtrain.　　Keywords：　　highspeedtrain；hollowaxle；damagetolerance；impactpit；fatiguecrack；finiteelement　　0引言10　　当前

6、，我国高铁列车运行速度不断提升，运营总里程近2万km，已位居世界前列.高铁列车普遍使用空心车轴，这可确保在车轴截面力学性能基本不变的前提下，尽可能地减少材料消耗，大幅度降低簧下质量.但是，目前基于材料力学的无限寿命设计方法没有考虑车轴在设计和制造中引入的内部缺陷或者裂纹，忽略由此带来的局部应力集中，从而给出过于保守的设计结论.另一方面，高铁列车车轴在服役过程中可能出现意外的表面擦划伤、撞击坑、腐蚀坑等缺陷.这些经常出现的微小缺陷极有可能导致整轴的损伤累积和疲劳破坏.调研发现，车轴失效破坏中有近2/3是由交变载荷引发的金属疲劳累积损伤所

7、造成的.[12]　　由此可见，材料或者几何不连续可破坏车轴的结构完整性，基于传统疲劳SN曲线的无限寿命设计和评估方法的普适性受到挑战.因此，必须开展基于断裂力学的损伤容限分析，对剩余寿命进行估算，进而制定合理、经济的检修方案.[3]　　欧洲是车轴运用比较先进的地区，已在缺陷的无损检测、断口识别、尺寸效应、载荷历程效应、压装残余应力及寿命模型的建立等方面进行研究，初步建立相对完整的技术评价体系.[2，4]日本在这一领域也有较大进展，并凭借其先进的材料制造和加工技术，对车轴进行感应淬火处理，引入残余压应力，可显著改善车轴的使用寿命.[5]

8、谢基龙教授较早提出含缺陷车轴断裂力学评价的方向，基本理顺从传统的基于材料力学的设计和评定方法到基于疲劳断裂力学的损伤容限评价这一领域中若干科学问题，作出极其重要的贡献.[6，7]　　本文考虑车轮、齿轮与车轴过盈配合导致的