在机械结构系统中,转动轴是重要的传动部件,在机器运行过程中,往往承受着交变的弯曲和扭转载荷。由于不同材料结构的刚性差异,在载荷作用下,轴和与之过盈配合的轴承内圈、轴承座等会出现差异化的变形,从而导致接触面间产生微动行为,造成微动损伤。作为JD-1轮轨模拟试验机(以下简称试验机)夹具的重要传动部件,转动轴在试验机运行过程中承受了周期性的垂向载荷和扭矩,由于载荷的作用导致转动轴在与左右两端轴承过盈配合面处出现了严重的微动损伤,并进一步导致过盈配合面的松动和转动轴表面裂纹的萌生,影响了试验机的试验效果和转动轴的疲劳寿命。因此,开展转动轴微动损伤的研究具有重要的意义。另外,转动轴的动态特性在一定程度上影响了夹具在试验机运行过程中的动态响应,转动轴的模态振型等动态特性参数与其与轴承内圈之间的相对位移也存在一定的相关性,从而对转动轴配合面的微动损伤有一定的影响。研究转动轴的动态特性对其动态特性的优化,避免夹具结构的共振,减轻振动引起的疲劳,深入探索转动轴微动损伤机理具有重要的意义。本论文以试验机转动轴为例,利用试验机,在试验机进行试验的常用工况下,开展不同垂向载荷和扭矩载荷作用及不同转动速度下的转动轴微动损伤机理研究;利用疲劳试验机开展转动轴材料的扭转疲劳断裂试验和疲劳裂纹扩展试验,利用力学相关知识,对转动轴进行受力分析,为转动轴微动损伤的分析提供理论依据;利用有限元软件ANSYS对转动轴进行动态特性分析。研究结果可为探索转动轴及其他机械轴类构件的微动损伤机理、制定损伤预防措施、优化其动态性能提供一定的参考,具有重要的理论意义。取得的主要结果和结论如下:(1)由于垂向试验载荷的作用,转动轴在试验机运行过程中承受了一定数值的弯矩和剪力,且均沿轴线分布不均,左右两端配合面处承受的弯矩和剪力数值大致相当。由于制动力矩的作用,转动轴在试验机运行过程中承受了一定数值的扭矩,在与左右两端轴承内圈过盈配合面处,扭矩沿轴线呈均匀分布,并且,左端配合面处的承受的扭矩比右端的大。(2)在垂向试验载荷和制动力矩的综合作用下,试验机转动轴在与左右两端轴承内圈过盈配合面处出现了微动损伤。从表面磨痕分析来看,配合面磨损形式主要表现为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损。随着垂向载荷和制动力矩的增加,左右两端过盈配合面处的塑性变形层变厚,微动损伤变得更严重。由于左右两端配合面处所受的弯矩和剪力沿轴线分布不均匀,造成左右两端配合面处的塑性变形层厚度也分布不均,由于左端配合面处所受的扭矩比右端的大,造成左端配合面处塑性变形层厚度比右端的大。随着载荷的增加,左右两端过盈配合面表面处产生的微裂纹有所增多,裂纹扩转角度也在变大,在综合应力的作用下更易向材料纵深方向扩展造成更大的破坏。由于转动轴左端配合面处所受的扭矩比右端大,所以左端配合面处产生的微观裂纹也比右端的严重。转动速度对转动轴配合面微动损伤特性有一定的影响,从表面磨痕分析来看,两种工况下,转动轴表面微动损伤都以粘着磨损和磨粒磨损为主,在较低转速下,转动轴配合面出现了滑擦和点蚀,在较高转速下,其表面出现了滑擦和犁沟。在较低转速下,转动轴表面微动损伤较为严重,这是由于在试验过程中,转数一致条件下,转动速度较小的转动轴微动接触的时间要相对长一些所致。(3)转动轴在其过盈配合面产生的微动疲劳裂纹具有如下特点:(a)裂纹在萌生过程中具有多源性,部分裂纹从材料表面萌生,部分裂纹从材料次表层萌生;(b)疲劳裂纹在萌生后一般会沿着材料表层塑性流变的方向扩展,裂纹扩展角度一般都较小,大部分裂纹会沿着与材料表层大致平行的方向扩展,从扩展趋势来看,大部分裂纹在扩展至材料表面后会形成微动疲劳磨损。(4)在扭转载荷作用下,转动轴材料的断裂属于典型的疲劳断裂,具有典型疲劳断裂的一般特征,即整个断面分为三个区域:裂纹源区、裂纹扩展区、最终断裂区,断面位于最大剪切应力平面,相对而言,最终断裂区比断口其他区域更显粗糙。40Cr材料和45钢材料相比,40Cr材料的抗扭转疲劳断裂的能力要强于45钢。通过疲劳裂纹扩展速率试验得出在拉压应力作用下,转动轴材料40Cr的疲劳裂纹扩展速率为da/dN=5×10-15(△K)3.5903,并基于非概率思想,提出了一种计算疲劳裂纹扩展寿命可靠性的方法。(5)采用有限元法对转动轴进行自由状态下的模态分析。根据基于有限元法的自由模态分析结果可知,无论使用实体单元模拟还是梁单元模拟,本文中设定的网格划分精度对转动轴模态分析结果的影响很小,可以忽略不计。采用试验模态分析方法对转动轴进行自由状态下的主频分析。根据分析结果,使用实体单元模拟转动轴并进行有限元模态分析的结果更接近试验模态分析结果,但是由于有限元建模的简化和测试环境及测试设备等因素的影响,仍存在一定的误差。(6)转动轴和轴承内圈在机器运行过程中产生的弹性变形量的差异,并因此促使接触面间产生的往复相对运动是导致转动轴与轴承接触配合面间产生微动损伤的主要原因。从转动轴和轴承内圈的运动情况分析,转动轴和轴承内圈之间的相对位移分为沿轴线的相对位移和沿转动方向的相对位移,从转动轴在约束状态下的模态分析结果可知,转动轴第10阶的伸缩模态振型及第1、2、3、4、5、6、8、9、12阶的弯曲振型对配合面的轴向相对位移影响较大,第4、6、7、11阶的扭转振型对配合面沿转动方向相对位移影响较大。