高速列车合金锻钢制动盘寿命评估研究

【摘要】：制动盘热裂纹对高速列车运行安全危害性较大，如果不加以监控，可能会引起制动盘断裂，直接影响列车和旅客人身财产的安全。因此，建立既精确又行之有效的高速列车制动盘缺陷评定及寿命评估系统对于保证行车安全具有十分重要的理论意义和现实意义。 本文以高速列车合金锻钢制动盘缺陷评定及寿命预测为研究目标，从对高速列车“中华之星”和“先锋号”合金锻钢制动盘裂纹现状的调查和分析入手，介绍了热裂纹扩展的基本规律，采用有限元软件对锻钢制动盘紧急制动过程中的温度场和应力场进行了数值模拟，应用断裂力学理论结合现场试验对制动盘寿命评估方法进行了深入研究，开发了使用简单方便的制动盘寿命评估系统。论文主要工作包括： (1) 对高速列车“中华之星”及“先锋号”制动盘裂纹现状进行全面调查研究。摸清了我国高速列车制动盘裂纹特征及分布规律，分析了制动盘裂纹剖面的宏观形貌特征，对制动盘断面形貌特征和裂纹扩展规律之间的联系做出新解释，为制动盘寿命评估提供了新思路。 (2) 用线弹性断裂机理分析了裂纹的扩展规律；采用三点弯曲法SE(B)，对制动盘材料的断裂韧度K_(IC)及疲劳裂纹扩展速率da／dN进行试验测定；确定了材料疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_(th)，为制动盘的疲劳裂纹扩展评定和寿命预测提供必要的数据。 (3) 用断裂力学方法对制动盘缺陷评定和寿命评估原理进行深入研究。建立了制动盘疲劳裂纹的分析模型，提出用断裂率K_r以及载荷率S_r为失效双判据的缺陷评定图(FAD)对含裂纹的制动盘进行安全评定；以Paris公式为依据，以紧急制动次数为评价指标，推导出制动盘剩余寿命预测表达式N，为开发合金锻钢制动盘剩余寿命预测系统奠定了理论基础。 (4) 依据高速列车锻钢制动盘的结构特点，建立了制动盘循环对称有限元三维模型。提出用热辐射率折算成对流换热系数的新方法，简化了散热边