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《北京交通大学》 2019年
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高速列车轴箱轴承材料微观结构及力学性能演化规律研究

呙如兵  
【摘要】:近年来,随着我国高速铁路快速发展,铁路运营速度不断提高,随之而来的是列车关键部件处于更加恶劣的服役环境。轴箱轴承作为列车走行部的关键部件,承受正常运行中车体载荷、加减速过程中的牵引制动载荷以及各种动态冲击载荷。面对恶劣的运行工况,一旦发生轴承失效,将严重影响列车安全运行。随着我国动车组服役里程的不断增加和列车国产化研究的全面深入,研究和生产新型轴承是各科研院所和铁路相关单位的重要任务。在高速列车轴箱轴承检修中发现,轴承外圈材料剥离失效占轴承失效比例最高。因此,只有深入了解高速列车轴箱轴承外圈材料的力学性能和微观结构随运营里程的演化特征,获得外圈材料滚动接触疲劳失效机理,才能为轴承材料国产化提供合理的建议。本文结合不同运营里程下轴承外圈材料的各项性能参数,针对高速列车轴箱轴承外圈材料力学性能及微观结构演化特征和滚动接触疲劳失效分析,开展了以下工作:(1)通过研究新轴承、120万公里和240万公里轴承外圈材料的微观结构特征,获得了轴承材料的组分、相结构组成及微观结构随运营里程的演化特征。试验研究发现,经过240万公里运行后,外圈接触区材料出现明显的晶粒细化。基于马氏体相变理论和晶粒细化理论,分析轴承外圈材料晶粒细化过程及其影响,为未来国产化轴承材料提供数据支撑。(2)通过研究新轴承、120万公里和240万公里轴承外圈材料的力学性能演化规律,获得不同运营里程轴承外圈材料的硬度分布特征、抗拉强度、延伸率及摩擦性能。结合轴承外圈材料微观结构演化特征,分析了轴承外圈材料力学性能演化特征;通过断口分析并结合塑性应变累积理论,得到了轴承外圈滚道材料延伸率严重下降原因;根据纳米划痕试验,获得了轴承外圈滚道材料摩擦性能变化规律及断裂韧性数据,可用于未来国产化轴承材料力学性能评估。(3)提出高速列车轴箱轴承材料快速疲劳试验方法,通过干摩擦预制裂纹法,在滚动疲劳样品表面引入疲劳微裂纹,缩短轴承滚动接触疲劳裂纹萌生周期。预制裂纹后,加入轴承润滑油,通过控制涡流减速器,调整滚动疲劳样品间滑差率,加速滚动疲劳试验过程。该方法可为加速轴承滚动接触疲劳试验提供有效借鉴。(4)根据轴承外圈材料滚动接触疲劳试验数据,获得了轴承外圈材料疲劳试验中的硬度分布及裂纹扩展规律。试验研究发现,裂纹扩展受接触应力和循环周次影响,且裂纹分布服从正态分布。通过固体力学理论分析,获得了混合模式下裂纹起裂角、裂纹扩展临界深度及裂纹偏转角度;结合轴承材料滚动接触疲劳试验数据,验证了轴承裂纹扩展的临界状态。综上所述,本文采用理论分析结合试验研究的方法,研究了不同运营里程下,轴箱轴承外圈材料的力学性能及微观结构演化特征,对轴承外圈材料的裂纹萌生、扩展和失效过程进行了系统的分析。研究结果对于未来高速列车轴箱轴承材料的国产化具有重要的参考价值。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:U270.33

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