循环载荷条件对1:4比例车轴轮座损伤影响研究

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为了阐明不同加载条件对铁路车轴轮座微动损伤影响的规律,本文对1:4比例轮轴试样开展了微动疲劳试验,观察测试了各工况下的车轴轮座表面的滑移区宽度、磨损区宽度和最大磨损深度以及微动裂纹的位置信息。试验结果表明:当加载应力增大且循环周次不变时,车轴轮座边缘的磨损轮廓发生了改变,表现为滑移区、磨损区宽度和最大磨损深度随之增大。当循环周次增大且加载应力不变时,其磨损轮廓也发生了改变,表现为磨损区宽度、最大磨损深度随之增大,但滑移区宽度不会随之增大。载荷对微动磨损的影响大于循环周次对其的影响,微动裂纹出现在磨损与未磨损边界附近。为了得到车轴轮座损伤的力学条件,阐明微动磨损对疲劳的影响规律,使用了有限元软件Abaqus计算对比了各工况下轮座边缘的各个接触参量、SWT参数和轴向应力集中系数,并将上述比例试样的试验和仿真结果对比了全尺寸车轴的试验和仿真结果。结果表明:磨损会显著影响车轴轮座表面的应力分布且会加剧车轴的应力集中;接触压应力、摩擦剪切应力和轴向应力集中系数的局部最大值出现在磨损与未磨损边界;载荷会显著影响接触参量的大小;磨损越严重,SWT参数和轴向应力集中系数峰值越大,且峰值出现的位置在磨损与未磨损边界;失效车轴的SWT参数和轴向应力集中系数分散性小,能在一定程度上反映车轴是否有裂纹萌生。由上述研究结果可知,大载荷低周次下试样的失效是应力主导并伴随轻微磨损的疲劳失效;低载荷高周次下试样的失效是磨损主导的疲劳失效,是由微动磨损造成的轮廓变化所引起的应力集中导致的失效。大载荷低周次和小载荷高周次造成的损伤有一定等效的关系,但是大载荷低周次代替不了由小载荷高周次的磨损造成的应力集中,所以用大载荷做试验得到的结果去反映实际车轴长期运行的损伤的情况是不妥的。本文研究成果可为实际铁路轮轴微动疲劳台架试验方案和微动疲劳试验与仿真相结合的研究提供参考。
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