不同钢轨材料棘轮行为试验研究

棘轮行为诱导的滚动接触疲劳失效是钢轨伤损的主要形式之一,分析不同钢轨材料在循环载荷作用下的棘轮行为演化规律,对线路钢轨选材具有重要指导意义。针对现役的热轧U71Mn、热处理U71Mn、热轧U75V和热处理U78Cr V四种钢轨材料分别限定初始最大塑性应变和峰值应力相同,开展了循环塑性变形行为试验研究,讨论不同钢轨材料棘轮行为的演化规律的差异。结果显示:在试验涉及的四种钢轨材料中,热处理U78Cr V和热轧U71Mn分别拥有最高和最低的屈服强度、极限强度;当棘轮应变初始值相近时,热处理钢轨棘轮应变演化速率无论是初期还是稳定期都高于热轧钢轨;当峰值应力相同时,强度更高的钢轨抵抗塑性变形的能力更高。不同钢轨材料在失效棘轮应变相近时的疲劳寿命差异较大,疲劳寿命随失效棘轮应变的增加而降低,且稳定棘轮应变率可用于钢轨危险位置的疲劳裂纹萌生寿命预测。     

PD3与U71Mn钢轨疲劳裂纹扩展特性研究

针对广深线铺设使用中已出现斜线状裂纹的PD3和U71Mn两种钢轨试样进行了成分、机械性能与微观形貌分析。结果表明：PD3钢轨的强度性能优于U71Mn钢轨的强度性能;U71Mn钢轨裂纹扩展角度比PD3钢轨的裂纹扩展角度要小;U71Mn钢轨在疲劳裂纹扩展中以沿晶和穿晶混合型扩展为主;而PD3钢轨试样的疲劳裂纹扩展主要以穿晶为主,裂纹更容易扩展,扩展速率更大。综合分析表明,U71Mn钢轨更适合于高速铁路铺设使用。     

PD3与U71Mn钢轨疲劳裂纹扩展特性研究

针对广深线铺设使用中已出现斜线状裂纹的PD3和U71Mn两种钢轨试样进行了成分、机械性能与微观形貌分析。结果表明：PD3钢轨的强度性能优于U71Mn钢轨的强度性能;U71Mn钢轨裂纹扩展角度比PD3钢轨的裂纹扩展角度要小;U71Mn钢轨在疲劳裂纹扩展中以沿晶和穿晶混合型扩展为主;而PD3钢轨试样的疲劳裂纹扩展主要以穿晶为主,裂纹更容易扩展,扩展速率更大。综合分析表明,U71Mn钢轨更适合于高速铁路铺设使用。     

PD3和U71Mn钢轨钢疲劳裂纹扩展速率研究

利用MTS试验机, 在常温下对两种钢轨PD3和U71Mn进行疲劳裂纹扩展速率试验研究,根据Paris公式确定两种钢轨的疲劳裂纹扩展速率,利用极大似然估计法计算带有一个随机变量描述的疲劳裂纹扩展速率的概率方程.结果表明,裂纹扩展速率曲线符合一般疲劳裂纹扩展规律;PD3的强度性能优于U71Mn,但U71Mn表现出更好的抗疲劳裂纹扩展性能,扩展速率低于PD3钢轨;疲劳裂纹扩展速率的不确定性方程与试验结果相符.     

高速重载线路钢轨损伤特性分析

结合广深线钢轨斜线状裂纹损伤特性分析,对比分析了高速与重载线路钢轨的损伤差异。结果表明:重载线路钢轨主要以磨损和塑性变形为主,而高速线路钢轨主要表现为疲劳损伤,无明显的塑性变形发生;U71Mn钢轨的含碳量低,具有较好的韧性,相比PD3钢轨,U71Mn更适于铺设于高速轻载线路。     

直齿轮弯曲疲劳裂纹的扩展行为预测与分析

以渐开线圆柱齿轮为研究对象,在其齿根部存在初始裂纹的前提下,研究齿根疲劳裂纹扩展特性及其寿命;将齿轮啮合过程的动力学计算等效为多个啮合位置的静力分析,得到不同位置的应力强度因子;根据线弹性断裂力学,将裂纹扩展过程线性等效,以K判据分析裂纹是否发生扩展,根据Paris准则计算裂纹扩展量,采用最大周向应力准则确定裂纹扩展角度,得到整个计算周期的应力强度因子、疲劳裂纹扩展路径及疲劳寿命;采用高频试验台对齿轮进行疲劳试验,得到齿轮的疲劳扩展路径,与有限元计算结果进行对比验证;最后分别分析了初始裂纹的尺度、位置和载荷的不同对疲劳裂纹的扩展及疲劳寿命的影响。     

滚动轴承接触疲劳裂纹建模与扩展规律研究

针对滚动轴承的疲劳剥落损伤演化问题,采用扩展有限元方法研究疲劳裂纹扩展机理,通过算例验证了扩展有限元方法的可靠性。运用断裂力学理论建立了包含次表面初始裂纹的滚动接触疲劳扩展有限元模型,分析了初始裂纹倾斜角度、所处深度和初始裂纹长度对次表面裂纹生长到表面的扩展路径影响机制,通过分析应力强度因子变化研究了裂纹扩展机理。研究结果表明,次表面疲劳裂纹以滑开型裂纹扩展模式为主;初始裂纹角度对疲劳裂纹扩展路径影响较大,初始裂纹角度在15°～45°时裂纹会转向表面发展而形成疲劳剥落;初始裂纹尺寸和深度对裂纹扩展路径形貌的影响较小,但会影响裂纹扩展的难易程度。     

压裂泵曲轴的疲劳裂纹扩展研究

为研究曲轴疲劳裂纹及其寿命,使用ABAQUS和FRANC3D软件对曲轴裂纹进行引入及扩展分析,基于裂纹剩余寿命计算和初始裂纹形状比对,对应力强度因子进行研究。结果表明,当裂纹深度扩展至18.2 mm时,等效应力强度因子达到曲轴材料断裂韧性,裂纹产生至临界深度,剩余寿命为8.6×105次;在裂纹深度一定时,初始裂纹的表面长度越长,裂纹扩展寿命越短,初始裂纹表面长度越短,裂纹扩展寿命越长;裂纹初始角度越大,裂纹前缘最深处的应力强度因子越低;裂纹初始角度越大,裂纹扩展后得到的裂纹长度越短,裂纹扩展寿命越长。     

高速铁路钢轨剩余疲劳寿命预测研究

利用断裂力学理论建立高速铁路钢轨剩余寿命的预测模型;首先对特定线路上钢轨的动载弯曲应力、温度应力、残余应力进行计算,然后利用预测模型估算高速钢轨的疲劳剩余寿命,分析钢轨材料、列车速度系数、钢轨基础弹性系数对钢轨剩余寿命的影响。结果表明:相同营运条件下,U71Mn钢轨剩余寿命比PD3钢轨长;钢轨剩余寿命随列车速度系数的增加而降低,随钢轨基础弹性系数的增长而延长。     

重载铁路钢轨损伤行为分析

利用电感耦合等离子体光谱仪、硬度仪、光学显微镜和扫描电子显微镜等对现场重载铁路损伤钢轨进行各种微观测试分析,分析了重载钢轨的损伤机理。结果表明:重载钢轨中碳、硅、锰含量较高,这有利于提高钢轨强度、硬度和耐磨性;现场服役损伤钢轨的表面硬度明显高于新钢轨的表面硬度,其轨距角处和轨顶区硬度高于非接触区的硬度;现场服役钢轨和新钢轨试样均表现为残余压应力;疲劳裂纹主要在轨顶区表面萌生,扩展较深且扩展角度明显不同,疲劳裂纹扩展方式主要表现为穿晶和沿晶扩展,钢轨侧磨区几乎无疲劳裂纹存在;轨顶区域塑性变形严重,塑性区组织明显被拉长细化呈流线型,塑性层厚度与裂纹扩展深度大致相同。