铝合金和锻钢制动盘摩擦面热损伤研究

热斑和热裂纹是钢铁制动盘摩擦面在服役过程中普遍存在的热损伤现象.本文采用热一机耦合模拟计算和理论分析相结合的方法,对铝合金和锻钢制动盘的摩擦面热损伤进行比较,研究材料性能对摩擦面热损伤的影响.研究表明,在相同的制动条件下,铝合金制动盘的摩擦面热损伤明显比锻钢制动盘轻,铝合金低的弹性模量和良好的导热性能使铝合金制动盘摩擦面无热裂纹、少热斑甚至无热斑.     

基于边缘检测和数学形态学的制动盘摩擦面裂纹识别

制动盘摩擦面疲劳裂纹是造成制动盘失效的重要因素之一。检测制动盘表面的裂纹的数量与长度,对评估制动盘的剩余寿命,保障行车安全具有重要价值。基于边缘检测和数学形态学方法对制动盘摩擦面裂纹进行识别。首先对摩擦面裂纹图像进行了灰度化和中值滤波处理,然后利用Sobel算子和Canny算子联合对摩擦面裂纹进行边缘检测,最后采用数学形态学方法对边缘二值图像进行处理,统计获得摩擦面裂纹的数目与长度。试验结果表明,该识别方法可以实现对摩擦面裂纹的有效识别,得到的裂纹长度和数目基本准确,与原图像中裂纹的形状和长度误差较小。     

380km/h高速列车轮装制动盘研制

综合分析研究了380km/h高速列车制动盘的结构、材料化学成分及力学性能,得到满足制动盘技术要求的低合金铸钢材料及循环对称散热筋结构。热应力计算结果表明紧急制动过程中最大热应力为448MPa,小于材料的屈服极限。首次针对高速列车制动盘提出并实施了1 000次11制动动力台b架疲劳试验,疲劳试验表明制动盘摩擦面没有出现热斑、热裂纹等不良状况。初速度为420km/h紧急制动工况下热成像测试显示制动盘表面温度分布比较均匀,制动盘摩擦面最高温度为608℃,满足380km/h高速列车基础制动技术条件要求。     

铸钢轴装制动盘热裂纹形成和扩展机理

借助1∶1制动动力试验台对高铁用铸钢轴装制动盘进行1∶1摩擦磨损试验,通过制动能量的累计,制动盘表面出现大量热裂纹,文章通过裂纹源的分析,裂纹形成的顺序,热裂纹扩展形式以及制动盘结构对热裂纹的影响等方面进行简要分析,得出铸钢轴盘热裂纹形成及扩展机理。     

制动盘疲劳特性研究方法浅探

阐述了制动盘疲劳裂纹产生机理的探索方法和制动盘裂纹扩展到极限寿命的研究手段,为制动盘疲劳特性的研究和预测制动盘疲劳寿命提供了初步的方法和依据。     

高速列车制动盘裂纹现状调查分析

对我国高速列车“中华之星”及“先锋号”上用的制动盘裂纹现状进行全面调查。分析了制动盘裂纹剖面的宏观形貌特征,并对制动盘裂纹萌生和扩展机理进行探讨。发现裂纹剖面宏观形貌特征与制动盘疲劳裂纹扩展规律之间存在一定的关联,为制动盘寿命评估提供了新的思路。     

铁道科学研究院2005年科技成果简介(续四)

31 机车车辆车轮剥离原因分析及改进对策的研究 在大量现场统计分析的基础上，结合实际运用的特点，对典型样品进行车轮剥离的失效分析，指出机车车辆车轮剥离有4种类型：制动剥离、接触疲劳剥离、局部擦伤剥离、局部接触疲劳剥离。在同一失效车轮上可能存在上述剥离类型的1种或几种。制动剥离一般发生在踏面闸瓦制动的车轮上，是车轮踏面热机械损伤的主要表现形式，研究表明，它主要以制动热裂纹和马氏体碎裂2种形式出现。接触疲劳剥离指的是在轮轨接触应力作用下导致轮轨接触面表层金属塑性变形及疲劳裂纹萌生和发展的破坏方式。     

高速列车制动盘残余应力数值仿真及试验验证

通过建立极坐标下热应力平衡方程,求解得到制动盘热应力表达式;采用有限元分析法对初速度为270 km/h的高速列车合金锻钢制动盘紧急制动工况后的残余应力进行数值模拟分析。结果表明,较大的残余拉应力分布在摩擦面上,随厚度方向逐渐减小,最大残余应力值542 MPa,且在摩擦环内应力分布并不均匀。用X射线应力测定仪对制动盘摩擦环的残余应力进行测定,试验测得最大残余应力值为348.4 MPa。仿真结果和试验结果相差35.7%,结果虽相差较大,但变化趋势基本一致,且合乎实际。理论仿真结果能直接用于制动盘疲劳裂纹扩展评定和寿命预测。     

列车制动摩擦热预测

在制动负荷较高的情况下,制动盘等的摩擦表面就会产生热斑和热裂等热现象。要解决这一问题,需对制动摩擦热做出精确的预测。文章使用二维和三维有限元模型,在小型摩擦试验机上对制动盘和制动块的摩擦热进行了预测和导热分析。结果表明,用有限元法进行导热分析能够预测制动盘和制动块的摩擦热。     

铸钢轮材料在700 ℃～20 ℃热循环下断裂机制分析

研究铸钢车轮材料在700℃~20℃热循环温度幅下热疲劳破坏规律。实验结果发现,试样表面出现大量的氧化腐蚀坑,表面主裂纹优先通过这些腐蚀坑扩展。试样表面的氧化腐蚀及氧化皮剥落均比次表层严重,表面的开裂也加速了次表层裂纹的形核和扩展。断口上的二次裂纹以沿晶为主,穿晶为辅,说明蠕变损伤导致晶界弱化。断口处腐蚀坑和夹杂物的开裂对试样热疲劳损伤有重要的促进作用,同时,断口上和表面的破坏互相促进,加深了试样的损伤程度。     

地震荷载下土体应力分析与挡土墙土压力计算分析

地震荷载作用下,按现有规范采用拟静力法设计的挡土墙仍发生了各种破坏。为探索地震荷载下土中应力分布对于岩土抗震工程的作用,合理地进行挡土墙抗震设计,采用拟静力法对地震荷载进行描述,根据弹性力学理论并假设问题满足平面应变的条件下,推导地震荷载下土体主应力的大小和方向的计算公式。通过对该点Mohr应力圆的分析,给出挡土墙动土压力大小与土体裂缝深度计算方法。研究结论:(1)地震主动和被动土压力系数均随着内摩擦角的增大而增大;(2)黏聚力对地震主动土压力系数的大小无影响,对地震被动土压力系数的影响较小;(3)土体裂缝深度随内摩擦角和黏聚力的增加而增大。     

列车荷载对CRTSⅠ型板式轨道疲劳损伤的影响研究

为研究CRTSI型轨道板及CA砂浆层在列车疲劳荷载作用下的疲劳损伤,按照轮轨力的正态分布规律及疲劳荷载编谱方法中的单参数计数法将列车荷载简化为2种疲劳荷载谱,通过建立的弹性地基梁-体模型计算了列车疲劳荷载作用下轨道板及CA砂浆应力值,采用Miner线性准则及以应力为基础的疲劳寿命计算方法,分别计算了轨道板混凝土及CA砂浆在60年服役期内的疲劳损伤。理论分析结果表明:仅考虑列车疲劳荷载作用时,轨道板混凝土及CA砂浆材料在60年服役期不会发生疲劳破坏;不同的疲劳荷载谱对轨道板及CA砂浆的疲劳损伤几乎没有影响。     

铁路钢桥整体节点双轴疲劳试验研究

依据铁路钢桥整体节点处次应力的形成和分布状态,设计次应力疲劳试件。利用双轴疲劳试验研究次应力对疲劳寿命的影响,同时进行有限元法对比分析。试验和理论分析结果表明,叠加次应力后的疲劳起裂寿命明显短于没有叠加次应力的疲劳起裂寿命,说明次应力对疲劳强度的影响不能被忽略。计算分析还发现,将次应力与轴向应力等同进行疲劳检算不恰当,将次应力全部当成轴向应力考虑的设计过于保守。     

车辆装配前铝合金焊缝节点结构疲劳试验研究

铝合金焊缝节点结构作为车体结构中的重要组成部分,车辆装配前对焊缝节点结构强度进行研究具有重要意义。为了掌握铝合金焊缝节点结构的疲劳强度性能,选取实车中出现疲劳裂纹破坏的典型节点部位制作标准件进行疲劳试验;根据试件与实际车体疲劳破坏位置的应力分布趋势一致的原则,设计了两种典型焊接形式的标准件结构模型,并且确定了疲劳试验的加载方式以及试验工装设计,给出了试验模型的疲劳破坏位置以及通过成组试验获得的典型节点形式的S-N(应力-寿命)曲线。同时利用非线性有限元方法对铝合金焊缝节点结构进行疲劳强度计算,将计算结果与试验结果进行对比分析,验证了所采用有限元计算方法的准确性和普遍适用性。     

加载波形对LZ50车轴钢疲劳裂纹扩展行为的影响

在三角波、正弦波、方波3种加载波形下对LZ50车轴钢紧凑拉伸试样开展疲劳裂纹扩展试验,采用扫描电镜观察断口形貌,并结合试验数据分析加载波形对裂纹尺寸增量和扩展速率的影响。结果显示:加载频率较高时,疲劳裂纹扩展行为对波形的敏感性较低,断口形貌基本相同;加载频率较低时,波形对疲劳裂纹扩展行为的影响增大,断口形貌出现差异;稳态扩展区以疲劳条带为主要扩展机制,三角波加载下的疲劳条带间距明显小于其他2种波形,其失稳扩展区形貌以韧窝为主,且韧窝较其他2种波形下的小且浅。同时,基于LS-DYNA软件和节点位移外推法对CT试样在3种加载波形下的应力强度因子进行计算和分析。结果表明:仿真分析波形对疲劳裂纹扩展的影响机制与试验结果基本一致。     

动荷载与水耦合作用下无砟轨道混凝土层间裂纹扩展研究

随着高速铁路的大范围应用,无砟轨道在列车荷载与水耦合作用下的水致损伤问题备受关注。为研究列车荷载与水耦合作用下无砟轨道层间裂纹扩展现象,运用有限元软件进行无砟轨道层间裂纹扩展分析,开展动荷载与水耦合作用下的混凝土层间裂纹扩展试验。研究结果表明:裂纹尖端疲劳寿命与列车速度呈二次方关系,随列车轴重增加,裂纹尖端疲劳寿命显著降低;裂纹尖端剪应力随裂纹深度增大呈高次方增长;裂纹扩展初期尖端多呈一定弧度,裂纹局部会伴有压溃现象;混凝土层间裂纹沿界面扩展时为折线形,并可能会产生裂纹分叉,最终导致裂纹面掉块现象发生。     

U71Mn钢轨焊缝处核伤扩展寿命的估算

根据包兰线银川段U71Mn 50kg/m钢轨运营情况,在应力比R为0.1、0.5条件下对钢轨轨头焊缝处材料进行三点弯曲疲劳裂纹扩展速率测试。采用七点递增多项式法进行回归分析,得出其裂纹扩展速率材料常数C和m。按照50kg/m钢轨实际尺寸建立模型,利用ANSYS有限元分析软件计算其轨顶动弯应力,并根据Paris公式对焊缝处钢轨进行使用寿命估算。相同运营情况下,若核伤由可探测范围(核伤直径不小于10mm)扩展至核伤面积占轨头面积的30%,则应力比为0.1时,容许通过总质量不超过8.65Mt,运营时间不超过87d;应力比为0.5时,容许通过总质量不超过6.28Mt,运营时间不超过63d。研究成果可为确定线路探伤周期和正确评价钢轨运营现状提供依据。     

斜拉桥锚拉板易损细节设计优化

研究目的:郑北大桥索梁锚固结构采用锚拉板结构形式,该区域构造复杂,焊缝交错,部分位置存在明显的应力集中现象,恒载作用下易发生塑性破坏,反复荷载作用下易产生疲劳破坏。通过建立精细化有限元模型,分析锚拉板式索梁锚固结构的易损部位,对局部细节进行设计参数优化,从而改善其恒载和活载下的受力性能。提取疲劳易损部位热点应力,通过热点应力S-N曲线和线性累积损伤理论计算其疲劳寿命,验证参数优化效果。研究结论:(1)在原设计的基础上适当优化锚拉板厚度能有效改善锚拉板式索梁锚固结构恒载下受力性能,防止材料塑性破坏;(2)经热点应力法计算疲劳寿命验证,在原设计的基础上适当优化圆形过渡区半径、锚拉板厚度、锚筒厚度能提升锚拉板的疲劳寿命;(3)本文研究结论可运用于今后的斜拉桥锚拉板式索梁锚固结构的设计中,以供相关设计人员参考。     

基于热点应力法的转向架构架疲劳寿命工程评定方法

建立某机车转向架构架有限元计算模型，应用热点应力法分析焊接结构的疲劳强度，采用最为可能发生疲劳破坏部位处的应力幅值作为疲劳评定依据。用热点应力分析方法评定焊接构架疲劳强度，不必考虑实际焊缝形状，裂纹及缺口等焊接引起的应力集中现象，弥补了有限元建模焊缝的简化处理对焊缝疲劳强度评定精度的影响。     

全长淬火钢轨踏面伤损及横向疲劳断裂分析

对实际伤损钢轨的宏微观形貌、金相、硬度以及探伤等检验分析,确定轨头踏面下4mm～6mm区域存在纵向水平疲劳裂纹是产生全长淬火钢轨伤损的原因。检验分析表明,在轮轨接触剪应力作用下,由于淬硬层区域存在金相组织、硬度过渡不均匀等淬火缺陷,导致轨头内部纵向水平疲劳裂纹萌生和扩展,引起钢轨伤损;在分析基础上,提出预防和改进措施。