軸箱內置型鐵路車軸疲勞性能與壽命評估

摘要：開展了EA4T合金鋼材料的低周疲勞試驗、旋轉彎曲高周疲勞試驗與裂紋擴展速率試驗,考慮載荷類型、表面質量與尺寸系數等因素,修正了標準小試樣疲勞極限以預測全尺寸車軸的疲勞性能;建立了軸箱內置鐵路車軸(內箱車軸)的有限元模型,分析了內箱車軸與傳統軸箱外置鐵路車軸(外箱車軸)臨界安全部位的差異;基于安全壽命設計理論,結合修正的線性Miner疲勞累積損傷準則和載荷譜,研究了內箱車軸的疲勞強度與服役性能;分別采用Paris公式、NASGRO方程和LAPS模型擬合了裂紋擴展速率曲線,基于損傷容限設計方法估算了內箱車軸和外箱車軸的裂紋擴展壽命。研究結果表明:標準小試樣的疲勞極限明顯高于全尺寸車軸,其疲勞極限均值分別為369、286 MPa;與傳統外箱車軸相比,由于加載位置的改變,內箱車軸的臨界安全部位從卸荷槽處轉移至軸身中部;內箱車軸疲勞總壽命為2.5×1012 km,滿足30年服役壽命的設計要求;但是在運輸或服役過程中車軸表面不可避免會存在缺陷,缺陷處存在嚴重的應力集中,為裂紋的萌生和擴展提供了便利條件,使車軸疲勞壽命大幅降低;當車軸臨界安全部位的裂紋深度擴展到5 mm時,內箱車軸和外箱車軸的剩余壽命分別僅為3.2×105、2.0×105 km,應根據無損探傷精度合理制定無損檢測周期,確保車軸安全服役。