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鐵路車軸微動磨損對微動裂紋擴展的影響研究

2024-04-23 13:13魏永剛
機械 2024年2期

魏永剛

摘要:仿真計算了磨損/未磨損情況下不同深度微動裂紋尖端的等效應力強度因子ΔKeq,并從接觸狀態和應力分布兩個角度闡述了影響機理。對于鐵路車軸,考慮微動磨損時計算的ΔKeq更大,微動磨損促進了微動裂紋的擴展。當微動裂紋深度不大于2 mm時,磨損/未磨損情況下計算的ΔKeq相對誤差大于7%。由于微動磨損,車軸輪座配合邊緣及附近的區域出現了張開區,釋放了過盈配合導致的壓應力。此外,微動磨損在車軸輪座內部引入的應力集中增加了配合面下方的應力場。這兩方面的共同作用促進了微動裂紋向車軸深度方向擴展。微動磨損對裂紋擴展的影響不能忽略,建議在車軸微動裂紋剩余壽命的評估中考慮微動磨損的影響。

關鍵詞:鐵路車軸;過盈配合;微動磨損;微動裂紋

中圖分類號:TP204;U270.33 文獻標志碼:A doi:10.3969/j.issn.1006-0316.2024.02.005

文章編號:1006-0316 (2024) 02-0026-07

Investigation on the Effect of Fretting Wear on Fretting Crack Propagation of Railway Axles

WEI Yonggang

( College of Railway Locomotive, Jilin Railway Technology College, Jilin 132000, China?)

Abstract:In this paper, the equivalent stress intensity factors ΔKeqof fretting crack tips at different crack depths in the case of worn/unworn were calculated. Thereafter, the influence mechanism was clarified from two perspectives of contact status and stress distribution. For railway axles, ΔKeqwas greater for the worn axles, which promoted the fretting crack propagation. When the crack depth was not greater than 2 mm, the relative error of ΔKeqcalculated under the worn/unworn condition was greater than 7%. Owing to fretting wear, an open zone appeared near the contact edge of the wheel seat, releasing the compressive stress induced by the interference fit. In addition, the stress concentration introduced by fretting wear increased the stress field below the contact surfaces. The combined effect of these two aspects promoted thefretting cracks propagation to the depth direction of the axle. The influence of fretting wear on crack propagation cannot be neglected, and it is recommended to take the influence of fretting wear in evaluating the remaining life of fretting cracks.

Key words:railway axle;interference fit;fretting wear;fretting crack

車軸是鐵路列車的關鍵結構,其可靠性關系著行車安全。車軸與車輪經過盈配合方式連接,在循環旋轉彎曲載荷作用下,輪軸配合邊緣及附近區域會發生微動,這將導致該區域出現微動磨損損傷,并可能出現微動疲勞[1-3]。微動磨損會改變配合面的形貌,導致過盈配合部位的應力發生重分布,影響微動疲勞[4-5]。

鐵路車軸的微動裂紋一般出現在距配合邊緣幾毫米的過盈配合內部[6]。由于結構的封閉性,小于2 mm的微動裂紋很難被準確檢測[7-8]。一旦微動裂紋被錯檢或漏檢將繼續擴展,這可能導致車軸發生疲勞斷裂,引發列車出軌等嚴重的安全事故。研究微動裂紋擴展對車軸檢修間隔的制定和剩余壽命的預測非常重要。學者們針對過盈配合結構的微動裂紋擴展做了一些工作。Martínez[9]和Erena[10]等使用擴展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)仿真研究了過盈配合結構的微動裂紋擴展,預測了裂紋擴展路徑。Pourheidar等[11]基于Nasgro方程和循環R阻力曲線,評估了帶初始缺陷的車軸過盈配合部位微動裂紋擴展壽命。然而上述研究沒有考慮微動磨損的影響。微動磨損引起的配合部位應力重分布可能會影響微動裂紋擴展。Pinto等[12-13]針對圓柱-平面微動結構進行仿真,發現考慮微動磨損后預測的剩余壽命偏短。Madge等[14]指出微動磨損引起的應力變化會顯著影響微動裂紋擴展。Zou等[15]測量實際車軸的微動磨損,并基于測量的輪廓進行仿真,發現微動磨損促進了車軸微動裂紋擴展,但沒有詳細闡明影響機理。綜上,為保障鐵路列車的安全運營,有必要系統研究車軸微動磨損對微動裂紋擴展的影響,并揭示影響機理。

本文基于Zou等[15]的實際車軸疲勞試驗,在考慮微動磨損的情況下,仿真計算了不同長度微動裂紋對應的等效應力強度因子ΔKeq,并進行對比。之后,基于仿真結果,從接觸狀態和應力分布兩個角度揭示了微動磨損對車軸微動裂紋擴展的影響機理。

1 車軸微動疲勞試驗

1.1 試樣與材料

實際車軸微動疲勞試驗在Minden型輪軸疲勞試驗臺上進行。試驗載荷F使用輪軸配合邊緣的名義應力描述,為130 MPa。車軸旋轉彎曲疲勞試驗轉速為1050 r/min。試驗用車軸的形狀尺寸如圖1所示。車軸材料為EA4T車軸鋼,車輪材料為ER8車輪鋼,材料的機械性能參數如表1所示。

1.2 試驗結果

在4×107循環周次后,研究人員探測到明顯的微動裂紋信號。此后停止試驗,拆解車輪并對車軸輪座進行磁粉探傷。車軸輪座微動裂紋磁粉探傷結果如圖2(a)所示,裂紋在車軸輪座表面沿圓周方向分布,距離車軸配合邊緣約4.1 mm。微動裂紋在車軸剖面上的形貌如 ?圖2(b)所示,裂紋與過盈配合面間存在一定角度,這說明微動裂紋受到多軸應力影響,以I-II混合型裂紋形式擴展。

研究人員還使用激光共聚焦顯微鏡對車軸和車輪的磨損情況進行了測量,得到了對應的磨損輪廓,如圖3所示??梢钥闯?,車軸和車輪的最大磨損深度都出現在配合邊緣,分別為40 μm和29 μm。隨著坐標位置向配合區內部移動,磨損深度逐漸減小。

2?有限元仿真

2.1 有限元模型

本文旨在對比研究微動磨損對車軸微動裂紋擴展的影響,因此分別建立磨損/未磨損車軸和車輪的有限元模型。具體建模過程為:首先,根據圖1給出的試樣形狀尺寸,使用Hypermesh軟件創建2D網格。由于配合邊緣及附近的區域存在應力集中,對其網格進行細化,最小網格尺寸為50 μm。如圖4所示,微動磨損的影響是通過在網格中引入磨損輪廓來實現。然后,通過繞對稱軸旋轉2D網格得到對應的3D網格。將該3D網格導入ABAQUS軟件,即可得到仿真分析需要的有限元模型。

有限元模型由八節點六面體單元(C3D8)組成。車軸和車輪之間的接觸面相互作用通過主從接觸算法實現,其中車輪的內表面被定義為主面,車軸的輪座表面為從面。使用經典的庫侖摩擦模型描述切向行為,摩擦系數設置為0.75。使用罰函數描述摩擦行為,最大彈性滑移容差設置為0.0001。根據車軸在試驗臺上的具體情況對有限元模型施加載荷和邊界條件。如圖4所示,車輪輪輞左側表面x方向的位移被限制,車輪輪緣表面被固定。在第1個分析步中引入過盈配合,過盈量2Δ=0.243 mm。在第2個分析步時,在參考點F施加沿y軸的集中力FyFyF0,F0為施加的載荷值)。隨后的分析步中,在參考點F分別施加兩個隨時間t變化的集中力FyFz。通過這種車軸不動,載荷繞車軸旋轉的方式,在輪軸配合邊緣產生130 MPa的旋轉彎曲應力。

2.2 微動疲勞裂紋建模

圖2所示的微動裂紋在車軸輪座上沿圓周方向分布,這是過盈配合結構微動裂紋的典型特征。為便于仿真分析,以往的研究將這些裂紋簡化為理想的環形裂紋[5,16]。本文使用交互積分法計算裂紋尖端的應力強度因子,微動裂紋同樣被理想化為環形,如圖5所示。裂紋尖端的漸近應力場存在奇異性,為準確對該奇異性進行表征,在緊鄰裂紋尖端的位置創建了奇異性單元來計算應力強度因子。奇異性單元可以通過折疊常規高階單元的單元邊,并移動中間節點到單元邊的1/4位置處構造得到。由于旋轉彎曲應力,微動裂紋表面可能相互接觸,從而產生裂紋閉合效應。為使裂紋面間的壓應力得到有效傳遞,使用自接觸算法模擬微動裂紋表面間的相互作用。摩擦系數設置為0.6[17],并使用“硬”接觸來描述法向行為。裂紋前沿的積分路徑數設置為15。

考慮到當前超聲波探傷技術無法準確對小于2 mm的車軸微動裂紋進行探測,且不能使用應力強度因子描述短裂紋的擴展驅動力。因此,微動裂紋深度最小值設置為0.25 mm,最大為2 mm,裂紋擴展的增量設置為0.25 mm。

3 結果與討論

3.1 應力強度因子

車軸受拉側1 mm深度裂紋尖端的von Mises應力云圖和不同積分路徑上的應力強度因子如圖6所示??梢钥闯?,III型應力強度因子KIII幾乎為零,這說明微動裂紋的擴展主要由I和II型應力強度因子KIKII控制,為混合型裂紋。該仿真結果與圖2(b)的試驗現象吻合。此外,KIKII在3~4個積分路徑后趨于收斂。因此,本文使用積分路徑編號為4~15上得到的KIKII的均值進行計算。

式(3)的計算結果同樣繪制在圖7中??梢钥闯?,相對誤差隨著裂紋擴展逐漸減小。這說明隨著裂紋尖端遠離過盈配合面,磨損對等效應力強度因子的影響逐漸減小。當裂紋深度為0.25 mm時,相對誤差約40%;當裂紋深度為2 mm時,相對誤差約7%。

超聲波探傷技術無法準確檢測到2 mm以內的微動裂紋。而仿真結果顯示,當微動裂紋深度不大于2 mm時,磨損/未磨損情況下計算的等效應力強度因子的相對誤差大于5%。如果在車軸微動裂紋剩余壽命的預測中忽略微動磨損的影響,將會高估車軸剩余壽命,導致危險的預測結果。為保障鐵路列車的安全運營,建議在車軸微動裂紋剩余壽命的評估中,考慮微動磨損的影響。

3.2 影響機理分析

仿真結果顯示,當微動裂紋深度小于2 mm時,磨損/未磨損情況下計算的等效應力強度因子存在明顯區別。此外,微動裂紋深度越小,微動磨損的影響越大。本節以微動裂紋深度為0.25 mm的計算結果為例,分析微動磨損對裂紋擴展的影響機理。

3.2.1 接觸狀態的影響

仿真分析后車軸輪座的接觸狀態如圖8所示??梢钥闯?,不考慮磨損時,車軸輪座只有粘著區和滑移區。在微動磨損的作用下,配合邊緣的材料被移除,形成圖3所示微動磨損輪廓,車軸和車輪配合邊緣過盈量減小。在旋轉彎曲應力作用下,車軸和車輪發生分離,形成張開區。

仿真得到的車軸輪座受拉側的接觸壓應力分布如圖9所示。在不考慮微動磨損的情況下,車軸輪座配合邊緣及附近區域處于滑移區,接觸壓應力的峰值出現在配合邊緣。在微動磨損的作用下,配合邊緣及附近區域的材料被移除,配合邊緣附近區域出現張開區,此處的接觸壓應力為零。此外,由于微動磨損的作用,過盈配合內部出現磨損/未磨損邊界,幾何不連續導致新的接觸壓應力峰值出現在車軸輪座內部。

車軸輪座受拉側的軸向應力S11分布如圖10所示。由圖9已知,在不考慮微動磨損的情況下,車軸輪座配合邊緣及附近區域存在非常大的接觸壓應力,使車輪對車軸有很強的約束。即使在受拉側,車軸輪座的軸向應力S11仍為負值。即是說,在不考慮微動磨損的情況下,車軸輪座的軸向應力始終為壓應力,而在壓應力作用下,裂紋閉合、不會擴展[19]。該仿真結果顯然無法解釋圖2(b)中微動裂紋擴展的事實。當仿真考慮微動磨損影響后,車軸輪座配合邊緣及附近區域出現張開區,張開區內輪軸間的壓應力被釋放,軸向應力S11由負變正,這促進了裂紋向車軸深度方向的擴展。

由圖8~10可知,在微動磨損的作用下,車軸輪座配合邊緣及附近的材料被移除,過盈量減小。在外部疲勞載荷作用下,配合邊緣及附近出現張開區,車輪和車軸間的壓應力被釋放,導致磨損時計算的等效應力強度因子更大。

3.2.2 應力集中的影響

微動磨損會導致過盈配合內部出現磨損/未磨損邊界,從而引發應力集中。配合面上的應力集中也可能影響配合面下方的應力分布。車軸輪座過盈配合面下方的von Mises應力云圖如圖11所示??梢钥闯?,在不考慮微動磨損的情況下,車軸過盈配合面的應力集中出現在配合邊緣,距微動裂紋位置較遠,不會影響微動裂紋擴展。當考慮磨損的影響后,過盈配合面的應力集中出現在磨損/未磨損邊界附近,靠近微動疲勞裂紋,此時,過盈配合面上由微動磨損引發的應力集中影響了裂紋尖端附近的應力場,這導致磨損情況下計算的等效應力強度因子更大。

綜上,微動磨損從兩個方面影響車軸微動裂紋擴展。一方面,微動磨損導致車軸輪座配合邊緣及附近的材料被移除,過盈量減小。在旋轉彎曲應力作用下,車軸和車輪配合面發生分離,出現張開區。張開區的出現釋放了過盈配合的壓應力,促進了微動裂紋擴展。另一方面,微動磨損在車軸輪座內部微動裂紋附近(磨損/未磨損邊界)引入新的應力集中,這會增加配合面下方裂紋尖端的應力場,同樣會促進微動裂紋擴展。越靠近過盈配合面,由微動磨損導致的壓應力釋放,以及微動磨損導致應力集中的影響越顯著。隨著裂紋尖端遠離配合面,這些影響會逐漸變小,從而導致出現圖7中隨著裂紋深度增加,相對誤差減小的仿真結果。

4 結論

本文基于實際車軸微動疲勞試驗結果,仿真計算了磨損/未磨損情況下,不同深度微動裂紋尖端的等效應力強度因子,并進行對比。此后,基于仿真結果,從接觸狀態和應力分布兩個角度闡述了微動磨損對微動裂紋擴展的影響機理。主要結論如下:

(1)對于鐵路車軸,考慮微動磨損情況下計算的等效應力強度因子更大,這說明微動磨損會促進微動裂紋的擴展。當微動裂紋深度不大于2 mm時,磨損/未磨損情況下計算的等效應力強度因子相對誤差大于7%,鐵路車軸微動磨損對微動裂紋擴展的影響不能忽略。

(2)由于微動磨損,車軸輪座配合邊緣及附近出現了張開區,釋放了過盈配合引入的壓應力。此外,微動磨損在車軸輪座內部引入的應力集中增加了過盈配合面下方的應力場。這兩方面的共同作用促進了微動裂紋向鐵路車軸深度方向擴展。

(3)為保障鐵路列車的安全運營,建議在車軸微動裂紋剩余壽命的評估中,考慮微動磨損的影響。

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