Page 115 - 《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 525

100 μm 100 μm 100 μm
(a) Border between zone I and II (b) Zone II near the zone I (c) Zone II near the zone III

O
Cr
Mn

Fe
Fe
Mn
Ni
Cr
C Si Cr Mn Fe
0 1 2 3 4 5 6 7
Bingding energy/keV
(d) EDS image of zone II

Fig. 8 SEM micrographs and EDS spectrum of zone II in fig.6
图 8 图6中II区SEM图及EDS图

[16]
40 图2，固定轮缘表面节点 ，并在偏心质量块对应位置
34.89 ZoneⅠ
35 处施加载荷. 由于接触边缘存在严重的应力集中，因
ZoneⅡ 此对其进行网格细化，最小网格为0.02 mm，如图12(b)
Percentage of oxygen/% 25 所示. 仿真采用C3D8单元，轮轴间通过接触对的形式
ZoneⅢ
30
27.67
20
实现过盈配合，轮内径配合面为主面，轴外径配合面
15
为从面. 接触面间的摩擦行为遵循库伦摩擦定律，摩
10
5.27 擦系数设置为0.7 [5, 7] ，切向行为由罚函数接触算法进
5
行控制.
0
Damage zone 轮轴有限元仿真计算过程如下：第一个分析步对

Fig. 9 Percentage of oxygen in each damaged zone 轮缘最表层节点及轮缘左侧节点施加固定约束，并实
图 9 各损伤区氧含量 现过盈配合；第二分析步施加y方向的载荷F = F ，确
y 0
保车轴接触最边缘名义应力为75 MPa；第三分析步在
的影响.
A点施加两个相互垂直且随时间变化的分力F =
y
为测量磨屑层厚度，需要对观察表面进行清洗，
F cos(2πt)和F = F sin(2πt)，两分力的合力F 即为所需
0
0
0
z
并保证两次观察的轮廓处于同一截面. 首先，用维氏
旋转弯曲载荷，其简谐变化图如图13所示.
硬度仪对未清洗试样做标记，并使用CLSM对该标记 3.2 有限元结果
表面进行观察，记录表面轮廓数据. 然后用次氯酸 由于轮轴采用过盈配合方式连接，微动区的接触
(HClO)对观察试样表面磨屑进行清洗，再利用CLSM 压应力、摩擦剪应力及微动滑移幅值等接触参量 难
[24]
对同一截面进行观察. 测量结果如图11所示. 以通过试验方式测得，只能通过有限元获取这些参量
的分布. 此外，由于轴向应力是微动疲劳的主要驱动
3 有限元仿真
力，也有必要探究微动磨损对轴向应力的影响. 在旋
3.1 有限元模型 转弯载荷作用下，车轴处于拉压的循环状态，由于损
根据图1所示试样尺寸，采用有限元软件ABAQUS 伤更容易发生在受拉侧，所以后续微动参量均取自受
建立对应的有限元模型，如图12(a)所示. 边界条件同 拉侧.