Page 111 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 袁才钦, 等: 铁路车轴过盈配合面微动损伤分析及有限元仿真 521

车轴是铁道车辆的关键组成部分，关系着列车的 接分析磨损对微动损伤的影响. 因此，有必要进行确
安全运营. 轮轴通过过盈方式连接，在循环旋转弯曲 定载荷条件下的实际轮轴疲劳试验，研究微动磨损对
或扭转载荷作用下，配合面间会发生循环往复的微小 微动参量的影响，进而揭示微动损伤机理.
[1]
滑动，导致微动损伤的发生 . 本文作者进行了实际轮轴疲劳试验，观察了微动
为了研究过盈配合结构微动损伤行为，国内外学 区损伤形貌，并分析了微动磨损机理. 在此基础上，测
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者进行了大量研究. Alfredsson 采用8 mm的热膨胀销 量了试验后轮轴磨损轮廓，并基于磨损后的轮廓建立
进行了旋转弯曲疲劳试验，发现微动损伤区包含红棕 对应的有限元模型，分析了微动磨损对微动参量及轴
色氧化磨屑的I区和黑色氧化磨屑的II区两部分. 张远 向应力的影响.
彬等 [3-4] 采用13 mm过盈配合试样进行旋转弯曲疲劳
1 轮轴疲劳试验
中断试验，根据微动区形貌特征，将其分为无氧化磨
屑的I区，含黑色和红棕色的氧化磨屑的II区，以及存 1.1 试验材料与试样尺寸
[5]
在少量红棕色氧化磨屑的III区. 宋川等 在10 mm过 试验选用某动车轮轴进行，车轴材料为EA4T车
盈配合试样中也观察到类似的现象. 虽然学者们采用 轴钢，车轮材料为ER8车轮钢. 材料化学成分及力学性
小试样研究了过盈配合结构微动损伤行为，并分析了 能分别如表1~2所示. 轮轴试样形状和主要尺寸如图1
损伤机理，但试验结果各异，且小尺寸试样与实际轮 所 示 ， 车 轴 轮 座 直 径 为 200.293 mm， 车 轮 内 径 为
轴间可能存在尺寸效应. 因此，小尺寸过盈配合结构 200.05 mm，过盈量为0.243 mm，符合TB/T 1 463-2015
[13]
得到的研究结果难以应用于实际轮轴. 《机车轮对组装技术条件》标准要求 . 装配时，通过
为了进一步研究轮轴结构的微动损伤行为，Gürer 对车轴进行降温收缩，然后将车轮压装到车轴上. 实
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等 对运营失效车轴进行了分析，发现失效位置位于 际服役工况下车轴应力水平在40 MPa左右 [14-15] ，为使
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距 接 触 边 缘 18~22 mm的 微 动 区 内 部 . Zhu等 和 微动磨损现象更明显，方便观察研究，试验过程中近
7
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Cervello 同样发现车轴微动损伤失效位置出现在接 加载侧轮座边缘名义应力为75 MPa，试验5.148×10 循
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触区内部. 为了分析微动损伤机理，杨广雪等 对车轴 环周次，对应车辆三级修.
进行了有限元分析，发现应力集中总是出现在轮轴接 全尺寸车轴旋转弯曲疲劳试验机主要有三点弯
触最边缘. 但是，他的研究没有对应的试验结果进行 式和悬臂式两种 [16-19] . 该试验采用后者，如图2所示. 装
验证，也无法解释文献报道的失效位置位于接触区内 配轮轴车轮一端约束在底座，车轴一侧套有绕车轴轴
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部的现象. Lee等 [10-11] 和张远彬等 对旋转弯曲载荷作 线旋转的偏心质量块，旋转产生的离心力在过盈配合
用下过盈配合小试样的研究发现，接触边缘严重的微 处产生弯矩，该过程中轮轴静止，当电机旋转频率达
动磨损改变了配合面几何形貌，应力集中位置由接触 到车轴共振频率时，弯矩被放大，使轮轴过盈配合处
边缘转向接触区内部，导致结构从内部失效. 宋川等 [5] 的应力水平达到试验要求.
发现失效车轴微动区同样存在严重的微动磨损，这可
2 表面形貌观察
能导致车轴微动区应力重分布而失效. 但是，暂无文
献报道微动磨损对实际轮轴微动区受力影响. 由于运 2.1 表面宏观分析
营载荷工况复杂，以往针对实际车轴的研究并不能直 图3所示为车轴轮座宏观形貌. 由图3可见，车轴

表 1 轴和轮主要化学成分 [20-21]
Table 1 The main chemical composition of axle and wheel [2-21]

Items w(C)/% w(Si)/% w(Mn)/% w(P)/% w(S)/% w(Cr)/% w(Ni)/%
EA4T 0.26 0.25 0.76 0.009 0.003 1.10 0.20
ER8 0.54 0.38 0.78 0.008 0.002 0.03 0.13

表 2 轴和轮力学参数
Table 2 Mechanical properties of axle and wheel

Items Elastic modulus/GPa Yield strength/MPa Tensile strength/MPa Poisson’s ratio
EA4T 205 552 689 0.3
ER8 210 584 903 0.3