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诱发车轮轮辋辋裂的夹杂物临界尺寸预测

诱发车轮轮辋辋裂的夹杂物临界尺寸预测

作者：孟炜西南交通大学

学位级别：硕士

车轮在服役过程中,承受循环载荷。当车轮承受较大载荷作用(如轴承故障、极限工况下等)时,如果同时在车轮踏面下10mm0mm范围存在毫米级的大型氧化物夹杂,那么,夹杂物周围的应力集中可能会诱发车轮轮辋裂纹,导致轮辋发生疲劳开裂,即,辋裂... 详细信息

车轮在服役过程中,承受循环载荷。当车轮承受较大载荷作用(如轴承故障、极限工况下等)时,如果同时在车轮踏面下10mm0mm范围存在毫米级的大型氧化物夹杂,那么,夹杂物周围的应力集中可能会诱发车轮轮辋裂纹,导致轮辋发生疲劳开裂,即,辋裂。由于辋裂可能会造成重大行车事故,因此,车轮制造厂商必须掌握诱发辋裂的大型夹杂物的成分、形状和尺寸,才能从制造环节避免引起辋裂的大型夹杂物的出现,从检测环节保证夹杂物尺寸不超出安全要求,从而提升车轮产品的品质。针对以上需求,本文开展了诱发车轮轮辋辋裂的夹杂物临界尺寸预测研究。由线弹性断裂力学理论可知:夹杂物的临界尺寸是剪切型裂纹(II型裂纹)门槛值(ΔK)和夹杂物所受剪切应力(τ)相关的函数。如果能够通过实验并结合仿真获得ΔK,同时,能够仿真算出不同深度下切应力τ,再根据对捕捉到的夹杂物形状的掌握后,即可在已知夹杂物形状的前提下,比较准确的获得夹杂物的临界尺寸。文中利用自行设计的工装对II型裂纹扩展临界长度进行测试,并采用ABAQUS中Contour integral求解模块对不同裂纹长度对应的应力场强度因子进行求解,将临界裂纹长度带入Contour integral,仿真获得某型号车轮材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值ΔK为7.49 MPa(m);同时,通过建立某车轮以及钢轨的真实有限元模型,对实际轮辋中的应力进行计算,获得了正常工况下,踏面下10 mm,12mm,15 mm和20 mm位置的剪应力幅值Δτ分别为:302 MPa,209MPa,138 MPa和78 MPa;极限工况下,踏面下10 mm,12mm,15 mm和20 mm位置的剪应力幅值Δτ分别为461 MPa,337MPa,216 MPa和122 MPa;另外,通过疲劳捕捉法,获得7个大型夹杂物的成分、形状和尺寸。经统计分析,车轮轮辋中大型夹杂物均为氧化物,其形状为椭圆形,其长短轴之比介于2之间。根据试验得到的应力场强度因子门槛值、不同深度下轮辋应力分布和试验获得的大型夹杂物形状,结合断裂力学理论对某型号车轮轮辋夹杂物临界尺寸预测结果为:诱发辋裂的夹杂物尺寸均为毫米级夹杂物,正常工况和极限工况下,随深度增大,诱发辋裂的大型夹杂物临界尺寸显著增大;在大型夹杂物投影面积一定情况下,当夹杂物的长短半轴之比a/b等于2时,夹杂物的危险程度最低。

关键词：机车车轮辋裂 Ⅱ型裂纹夹杂物临界尺寸

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防止铁道车轮疲劳辋裂技术探讨

物理测试 2019年第5期37卷 32-37页

作者：李伟成生伟张锦文王育田山西太钢不锈钢股份有限公司

导致车轮辋裂的主要冶金因素包括存在棱角分明的Al2O3夹杂、在浇钢砖表面蓄积而成的大型夹杂物、浇注耐材熔损脱落产物。采用"球状MnS包裹点状氧化物"技术,可降低Al2O3夹杂的危害。采用高铝质浇钢砖及"恒通钢量"浇注技术后,减少了浇钢... 详细信息

导致车轮辋裂的主要冶金因素包括存在棱角分明的Al2O3夹杂、在浇钢砖表面蓄积而成的大型夹杂物、浇注耐材熔损脱落产物。采用"球状MnS包裹点状氧化物"技术,可降低Al2O3夹杂的危害。采用高铝质浇钢砖及"恒通钢量"浇注技术后,减少了浇钢砖表面蓄积形成的大型夹杂物以及耐材熔损脱落产物,模铸车轮轮辋不大于Ф2mm"超声探伤合格率由92%提升到99%。采用连铸工艺后,车轮轮辋小于Ф1mm"超声探伤合格率达到99.7%。

关键词：车轮钢辋裂夹杂物超声波探伤

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轮轨垂向力地面连续测量的复合测区方法

中国铁道科学 2019年第5期40卷 87-94页

作者：李旭伟曾宇清李甫永田光荣秦菊中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081 Transportation Technology Center Inc.Pueblo CO USA 81001 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所北京100081

对既有广泛运用的“剪力+支撑力”轮轨垂向力测量方法进行分析,表明在共用剪力传感器位置存在长度约1个钢轨高度的剪力测量过渡(无效)区,导致测量结果不能真实反映左右侧钢轨间剪力的大小;为此提出轮轨垂向力地面全连续测量的复合测区方... 详细信息

对既有广泛运用的“剪力+支撑力”轮轨垂向力测量方法进行分析,表明在共用剪力传感器位置存在长度约1个钢轨高度的剪力测量过渡(无效)区,导致测量结果不能真实反映左右侧钢轨间剪力的大小;为此提出轮轨垂向力地面全连续测量的复合测区方法,在不改变“剪力+支撑力”轮轨垂向力测量方法连续单元测区布置的同时,通过增加约束条件、构建复合测区,提取各连续单元测区与相邻连续单元组成的复合测区有效轮轨垂向力,并按照时序进行组合,实现在不增加硬件条件下完成轮轨垂向力的地面长距离全连续测量。基于铁路车辆运行状态地面安全监测系统(TPDS)实测数据,进行复合测区方法的具体实施,并与仿真结果对比,验证该方法对轮轨垂向力全连续测量的有效性。将该方法应用在TPDS中,拓展其功能,结果表明:复合测区方法的应用,能实现车轮多边形和辋裂的监测,为安全监测、评估提供有效手段。

关键词：轮轨垂向力连续测量 TPDS 车轮多边形辋裂

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列车车轮滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展研究

列车车轮滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展研究

作者：范新光北京交通大学

学位级别：硕士

列车车轮的滚动接触疲劳损伤一直是轨道交通的基础研究问题,车轮踏面剥离和辋裂是疲劳损伤的主要形式,其危害性大,难以预防,是研究轮轨损伤问题的重点。本文结合我国对轨道交通轮轨系统金属材料服役安全性的要求,采用试验和仿真相结合... 详细信息

列车车轮的滚动接触疲劳损伤一直是轨道交通的基础研究问题,车轮踏面剥离和辋裂是疲劳损伤的主要形式,其危害性大,难以预防,是研究轮轨损伤问题的重点。本文结合我国对轨道交通轮轨系统金属材料服役安全性的要求,采用试验和仿真相结合的方法,开展了滚动接触载荷下车轮疲劳裂纹萌生及扩展的研究。首先对疲劳损伤失效的车轮进行断口观察和材料性能检测,研究了其失效机理。车轮发生剥离和辋裂的断口形貌具有明显的疲劳特征,裂纹处微观结构发生明显变化。通过超声波疲劳试验机对ER8车轮钢进行超高周疲劳试验,得到材料的超高周疲劳性能,对比车轮接触疲劳损伤和超高周疲劳试样断口形貌和微观结构,进一步分析了车轮疲劳失效机理。车轮辋裂和剥离疲劳损伤失效案例分析表明,车轮发生剥离和辋裂时的服役里程通常在20～120万公里之间,循环次数超过了 107属于超高周疲劳范畴,剥离裂纹的萌生区通常在距踏面10 mm深度以内,辋裂的裂纹萌生区基本在距踏面10～25 mm深度之间。利用ABAQUS软件建立的三维轮轨弹塑性滚动接触有限元模型分析了轮轨接触应力以及车轮亚表层脆性夹杂物和空穴缺陷对接触应力的影响。轮轨接触有限元应力仿真结果表明车轮的最大滚动接触应力在车轮浅表层,当车轮亚表层存在脆性夹杂物和空穴缺陷时都会产生应力集中现象,但应力集中位置不同,当脆性夹杂物与空穴缺陷尺寸增加和靠近轮轨接触点时都会导致应力集中值增大。通过计算结果和疲劳损伤失效试验分析结果进一步阐述了车轮剥离和辋裂裂纹的萌生机理。在有限元模型基础上利用FRANC3D软件基于超高周疲劳和断裂力学理论以及结合车轮疲劳损伤失效分析结果建立了三维裂纹扩展模型,分析了车轮滚动接触疲劳裂纹扩展机理以及初始裂纹尺寸、位置和形状对疲劳裂纹寿命的影响。通过裂纹扩展计算结果可知,车轮在滚动触载荷下的疲劳裂纹以Ⅱ型裂纹扩展为主,裂纹初始扩展时期的寿命占据裂纹扩展寿命的主要阶段,初始裂纹的尺寸对疲劳裂纹扩展寿命的影响极大。此外,初始裂纹的位置分布和裂纹面的表面积也是影响疲劳裂纹扩展寿命的重要因素。

关键词：列车车轮滚动接触疲劳剥离辋裂裂纹扩展

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客车轮辋裂分析与高速车轮钢工艺改进探讨

物理测试 2015年第2期33卷 38-43页

作者：李伟山西太钢不锈钢股份有限公司山西太原030003

采用化学分析、金相检验、扫描电镜和能谱仪等对客车辋裂车轮进行分析。结果表明:在裂纹源区域存在棱角分明的Al2O3夹杂,即使夹杂物符合标准但因其组成结构及形态控制不合理,在材料使用状态恶化时,也可造成辋裂失效。通过将铁路客车及... 详细信息

采用化学分析、金相检验、扫描电镜和能谱仪等对客车辋裂车轮进行分析。结果表明:在裂纹源区域存在棱角分明的Al2O3夹杂,即使夹杂物符合标准但因其组成结构及形态控制不合理,在材料使用状态恶化时,也可造成辋裂失效。通过将铁路客车及高速列车用车轮钢中氧化物控制为"球状Mn S包裹氧化物"复合结构,并使其微细化与弥散化分布,可缓减脆性夹杂对基体组织的割裂、划伤作用,减小脆性夹杂物对基体组织产生的嵌镶应力,减小形成裂纹源的可能性,提高材料的疲劳寿命,防止辋裂。

关键词：车轮钢辋裂夹杂物高速列车

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车轮轮箍运行失效原因的分析

马钢科研 1991年第2期 49-73页

作者：周联芳李全

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客车轮辋裂分析与高速车轮钢工艺改进研究

太钢科技 2015年第2期 23-28页

作者：李伟技术中心

采用化学分析、金相检验、扫描电镜和能谱仪等对客车“辋裂”车轮进行检验分析，结果表明，其主要原因是在裂纹源区域存在棱角分明的Al2O3夹杂，即使夹杂物合标但因其组成结构及形态控制不合理，在材料使用状态恶化时，也可造成辋裂失... 详细信息

采用化学分析、金相检验、扫描电镜和能谱仪等对客车“辋裂”车轮进行检验分析，结果表明，其主要原因是在裂纹源区域存在棱角分明的Al2O3夹杂，即使夹杂物合标但因其组成结构及形态控制不合理，在材料使用状态恶化时，也可造成辋裂失效。通过将铁路客车及高速列车用车轮钢中氧化物控制为“球状MnS包裹氧化物”复合结构，并使其微细化与弥散化分布，可缓减脆性夹杂对基体组织的割裂、划伤作用，减小脆性夹杂物对基体组织产生的嵌镶应力，减小形成裂纹源的可能性，提高材料的疲劳寿命，防止辋裂。

关键词：车轮钢辋裂夹杂物高速列车

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铁路机车车轮辋裂特征分析与对策研究

中国铁路 2017年第1期 62-65页

作者：容长生中国铁路总公司运输局机务部北京100844

机车车轮在运用过程中常见的损伤主要有踏面损伤及轮辋内部裂纹(简称辋裂)两大类。由于内部裂纹极具隐蔽性,初期很难发现,故上述两类损伤中又以辋裂的危害性最大。对辋裂的特征进行总结,通过分析车轮辋裂产生的原因、机理及发生规律,提... 详细信息

机车车轮在运用过程中常见的损伤主要有踏面损伤及轮辋内部裂纹(简称辋裂)两大类。由于内部裂纹极具隐蔽性,初期很难发现,故上述两类损伤中又以辋裂的危害性最大。对辋裂的特征进行总结,通过分析车轮辋裂产生的原因、机理及发生规律,提出在目前高速、重载条件下针对此类车轮失效模式的对策。

关键词：机车车轮辋裂踏面损伤辋裂机理

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动车组车轮修程修制理论研究和实际验证

动车组车轮修程修制理论研究和实际验证