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高速列车S38C车轴外物致损模拟与疲劳性能研究

高杰维 余明华 朱顺鹏 廖鼎 李亚波 韩靖

高杰维, 余明华, 朱顺鹏, 廖鼎, 李亚波, 韩靖. 高速列车S38C车轴外物致损模拟与疲劳性能研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(24): 178-187. doi: 10.3901/JME.2022.24.178
引用本文: 高杰维, 余明华, 朱顺鹏, 廖鼎, 李亚波, 韩靖. 高速列车S38C车轴外物致损模拟与疲劳性能研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(24): 178-187. doi: 10.3901/JME.2022.24.178
GAO Jiewei, YU Minghua, ZHU Shunpeng, LIAO Ding, LI Yabo, HAN Jing. Fatigue Behavior Analysis and Simulation of Foreign Object Damage on S38C High-speed Railway Axle[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2022, 58(24): 178-187. doi: 10.3901/JME.2022.24.178
Citation: GAO Jiewei, YU Minghua, ZHU Shunpeng, LIAO Ding, LI Yabo, HAN Jing. Fatigue Behavior Analysis and Simulation of Foreign Object Damage on S38C High-speed Railway Axle[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2022, 58(24): 178-187. doi: 10.3901/JME.2022.24.178

高速列车S38C车轴外物致损模拟与疲劳性能研究

doi: 10.3901/JME.2022.24.178
基金项目: 

国家自然科学基金 12232004

国家重点研发计划子课题 2018YFB1201704-03

四川省杰出青年基金 2022JDJQ0024

四川省重点研发计划 2021YFG0210

牵引动力国家重点实验室自主课题 2019TPL-T21

详细信息
    作者简介:

    高杰维,男,1986年出生,博士后。主要研究方向为高速列车结构完整性与寿命预测。E-mail:jieweig@126.com

    通讯作者:

    朱顺鹏(通信作者),男,1983年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为结构完整性与可靠性分析、损伤容限设计与寿命预测、人工智能与健康评估。E-mail:zspeng2007@uestc.edu.cn

  • 中图分类号: TB31

Fatigue Behavior Analysis and Simulation of Foreign Object Damage on S38C High-speed Railway Axle

  • 摘要: 外物致损是造成高速列车车轴疲劳失效的典型因素之一。采用立体显微镜分析CRH2系列高速列车S38C车轴表面的损伤,借助轻型空气炮向取于S38C车轴表面的四点弯曲疲劳试样发射多种角度、速度的球形和正方形钨钢弹体,模拟外物致损。采用逐步加载法来确定损伤试样的疲劳强度,在场发射扫描电镜下观测损伤特征和疲劳断口形貌。结果表明,车轴表面的损伤大部分是刮擦,少部分是缺口。球形弹体垂直冲击损伤随着速度的增大变得逐渐恶劣,材料缺失和微裂纹分布在损伤边缘,底部出现绝热剪切带引发的裂纹;球形弹体斜冲击损伤出射区主要以形变和剪切作用下的掉块为主;方形弹体冲击损伤形态各异。不考虑损伤形成的工况,试样疲劳强度随着损伤深度的增加而降低,深度作为损伤评价参数具有可操作性,本研究为车轴外物致损检修标准的制定提供参考。

     

    外物致损是造成高速列车车轴疲劳失效的典型因素之一。采用立体显微镜分析CRH2系列高速列车S38C车轴表面的损伤,借助轻型空气炮向取于S38C车轴表面的四点弯曲疲劳试样发射多种角度、速度的球形和正方形钨钢弹体,模拟外物致损。采用逐步加载法来确定损伤试样的疲劳强度,在场发射扫描电镜下观测损伤特征和疲劳断口形貌。结果表明,车轴表面的损伤大部分是刮擦,少部分是缺口。球形弹体垂直冲击损伤随着速度的增大变得逐渐恶劣,材料缺失和微裂纹分布在损伤边缘,底部出现绝热剪切带引发的裂纹;球形弹体斜冲击损伤出射区主要以形变和剪切作用下的掉块为主;方形弹体冲击损伤形态各异。不考虑损伤形成的工况,试样疲劳强度随着损伤深度的增加而降低,深度作为损伤评价参数具有可操作性,本研究为车轴外物致损检修标准的制定提供参考。
  • 图  S38C车轴上两类典型损伤

    图  S38C车轴表层组织分布

    图  S38C车轴表层显微硬度分布

    图  S38C车轴表面材料抗拉强度

    图  S38C车轴冲击损伤模拟与疲劳性能试验

    图  不同速度下垂直冲击损伤形貌

    图  200 m/s(上部)和300 m/s(下部)下不同入射角冲击损伤形貌

    图  方块弹体冲击损伤形貌

    图  原始试样和冲击损伤后EBSD图

    图  10  球形弹体垂直冲击损伤形貌

    图  11  球形弹体200 m/s速度45°入射角冲击损伤形貌

    图  12  方块弹体冲击损伤试样断口形貌

    图  13  冲击能量与缺陷深度的关系

    图  14  试样冲击损伤深度与疲劳强度的关系

    表  1  S38C车轴钢化学成分(质量分数) %

    元素 C Si Mn Cr Mo Ni Al
    含量 0.39 0.29 0.81 0.097 0.024 0.039 0.013
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    表  2  S38C车轴四点弯曲试样冲击试验汇总

    弹体 速度/(m/s) 角度/(°) 备注
    3 mm
    钨钢球
    100 90
    200 30, 45, 60, 75, 90 每种工况5件
    300 30, 45, 60, 75, 90 每种工况5件
    400 30, 45, 60, 75, 90 每种工况5件
    500 90
    2 mm
    钨钢方块
    100 90 每个试样表面制造2个损伤,相距15 mm,每种工况5件
    200 90
    300 90
    3 mm
    钨钢方块
    100 90 每个试样表面制造2个损伤,相距15 mm,每种工况5件
    150 90
    200 90
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    表  3  不同速度ν、角度θ下球形弹体冲击损伤深度 μm

    θ/ (°) ν/(m/s)
    100 200 300 400 500
    30 182 261 373
    45 247 397 594
    60 293 484 750
    75 348 638 871
    90 155 395 659 699 1 020
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-26
  • 修回日期:  2022-09-30
  • 网络出版日期:  2024-03-07
  • 刊出日期:  2022-12-20

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