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典型缺陷对车轴应力及疲劳寿命影响研究

吕晓旭  
【摘要】:车轴作为车辆关键承载部件,对于列车的运行安全至关重要,特别是在目前动车组不断提速的趋势下。但在车轴实际应用过程中,多次发生表面击伤或其他形式的缺陷。当缺陷出现后,车轴缺陷部位的结构强度及寿命是否仍满足要求,需要进一步展开研究。本文以CRH3及CRH5高速动车组车轴实际应用为背景,归纳了车轴在实际运行中出现的多种缺陷形式,并重点对其中两种典型缺陷进行研究。通过有限元仿真与理论计算相结合的方法,基于车轴标准载荷及线路实测车轴应力谱,对缺陷车轴的结构强度及疲劳性能进行评估。此外通过现场试验,研究了车轮扁疤对车轴应力及寿命的影响。通过上述分析计算,为确定车轴允许存在的缺陷尺寸及检修周期提供依据及参考,具体研究内容如下:(1)结合调研及动车组生产厂家的损伤报告,总结了车轴在运行过程中出现的多种缺陷形式。重点针对车轴撞击伤及沟槽型擦伤两种典型缺陷,从产生原因、发生位置、形貌尺寸等方面归纳其特征,并通过FRANC 3D及有限元等相关软件,建立两种典型缺陷的车轴有限元模型。(2)基于欧洲车轴设计标准,对CRH3及CRH5动车组动拖车车轴依次完成计算。为研究缺口影响,设置多组形状及深度等参数,得到缺口形式及尺寸对车轴应力的具体影响规律。此外通过与标准规定的许用应力值进行对比,为确定车轴缺陷限值提供参考。(3)缺口会影响疲劳性能,为具体评估其影响,基于应力疲劳寿命的相关理论,通过有限元仿真及数学方法,确定不同尺寸缺口的应力集中系数及疲劳缺口系数,应用其值对光滑车轴疲劳寿命曲线进行修正,得到缺口车轴的疲劳寿命曲线。结合基于线路实测得到的车轴应力谱数据,计算了不同缺口对应的等效应力,并根据损伤估算了缺陷车轴的裂纹萌生寿命,进而为制定缺陷车轴的检修周期提供参考。(4)通过现场试验,研究了车轮存在扁疤该极端情况对车轴应力的影响规律。设置多组扁疤尺寸及运行工况完成试验,并对实测数据进行处理分析,总结扁疤冲击对轮轨载荷及车轴应力的影响。基于试验结果对车轴线路实测应力谱进行修正,得到扁疤冲击下的车轴应力谱,评估扁疤对车轴疲劳寿命的影响。此外考虑了车轮扁疤和车轴缺口同时存在的情况,并估算此时缺陷车轴的裂纹萌生寿命,进而从多角度完善对缺陷车轴的寿命评估。图44幅,表22个,参考文献53篇。


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