空心车轴不同形状比裂纹应力强度因子的仿真研究

空心车轴在运用中可能会出现意外损伤而诱发表面裂纹。应力强度因子是预测裂纹扩展情况的重要参数。本文分析了空心车轴的运用载荷,根据所测载荷谱,采取有限元方法计算车轴横截面的应力分布情况。采用四分之一20节点等参退化奇异单元模拟裂纹前缘的应力奇异性,建立空心车轴表面裂纹扩展的有限元模型,并对裂纹前缘进行离散,实现正交扩展,得到不同步扩展的裂纹前缘。在此基础上对裂纹前缘不同位置的应力强度因子进行计算分析,得出不同初始形状裂纹前缘扩展中的应力强度因子分布规律。计算结果表明,具有不同初始形状的裂纹,随着裂纹的扩展,裂纹形状将趋于某一形状比范围内。与解析方法计算的结果比较,二者基本吻合。     

残余压应力对车轴表面裂纹扩展的仿真研究

为了研究残余压应力对裂纹扩展的影响，通过子程序引入初始残余压应力，利用裂纹扩展仿真技术XFEM与VCCT相结合的方法进行裂纹扩展仿真计算，证实了残余压应力对裂纹扩展有显著的抑制作用；基于Zencrack仿真软件，结合S38C材质车轴试验得到的裂纹扩展参数，预测了CRH2型动车组用S38C材质车轴裂纹扩展寿命，并提出了车轴裂纹检测周期建议。     

基于漏探概率的车轴探伤周期制定方法

针对现行车轴探伤周期制定方法存在的车轴剩余寿命计算结果与实际相差较大、不能在要求的可靠度下制定尽量长的车轴探伤周期和计算车轴裂纹随机扩展条件下探伤周期的可靠度等问题,将沿周向扩展车轴表面裂纹的深度抽象为一维伽马随机过程,建立基于伽马随机过程的车轴裂纹扩展模型;基于试验和运营中取得的车轴裂纹扩展数据从统计学的角度描述车轴裂纹的扩展过程,推导基于漏探概率的车轴失效函数和可靠度函数,建立揭示车轴的剩余寿命、漏探概率和可靠度三者间关系的新的车轴探伤周期制定方法;验证结果表明:采用新方法生成的车轴裂纹效果与实际基本吻合,可计算任意探伤周期的可靠度和给定可靠度下的探伤周期,为车轴探伤周期的制定提供了理论基础。     

车轴裂纹扩展寿命的分析与计算方法

在由加载条件试验得出车轴裂纹扩展规律的基础上,引入有效应力强度因子范围ΔKeff值,建立适用于各种加载条件的裂纹扩展规律模型;给出实际运用条件下初始裂纹尺寸、超偏载、轮轴压装配合导致应力集中等因素影响车轴裂纹扩展的理论分析方法;建立车轴裂纹扩展寿命的计算模型,并采用Romberg数值积分法和Newton-Rophson迭代法对车轴剩余寿命进行预测。运用本文给出的模型和计算方法,以RD轴轮座部为例,对不同运用工况、不同尺寸裂纹车轴的剩余寿命进行了计算分析;以某客车RC轴断轴事故为例,对车轴初始裂纹尺寸进行计算,验证了超限裂纹漏探是导致该车轴断裂的主要原因。     

高速列车空心轴表面裂纹前缘应力强度因子解析模型

高速列车运行中其车轴可能受到硬物的高速冲击造成缺口,由于缺口所造成的应力集中会在车轴表面萌生疲劳裂纹,如果没有及时发现而继续使用,车轴会受到扰动载荷的作用,导致表面裂纹不断扩展,直至发生断裂。对车轴的疲劳断裂问题进行研究时,可通过应力强度因子进行断裂安全分析。由于空心轴的使用越来越广泛,其裂纹扩展问题也成为了研究的重点。空心车轴与实心车轴相比,表面裂纹情况更加复杂,无法利用已有公式计算出应力强度因子的解。通过对实心轴表面裂纹应力强度因子解析式进行修正,得出空心轴表面裂纹应力强度因子,将其与Carpinteri通过有限单元法得到的应力强度因子进行比较。结果表明,空心轴半椭圆表面裂纹应力强度因子解析模型具有较高的精度,为空心轴裂纹扩展的进一步研究提供了参考。     

机车车辆车轴的安全性评价

为了对新干线动车车轴进行安全性评价，通过采用断裂力学的疲劳裂纹扩展特性计算以及实物疲劳试验，确定了车轴上两个关键部位－齿轮侧轮座和中央平行部，其裂纹停止扩展极限深度分别为３ｍｍ和２ｍｍ。为了确保运行中的车轴能够在上述极限范围内安全运转，日本新干线制定了严格的定期探伤检查规范，规定在每运转３万ｋｍ、４５ｋｍ和９０万ｋｍ要进行超声波探伤或磁粉探伤，从而确保了新干线动车车轴的运转安全性。     

多边形条件下高铁车轴裂纹扩展寿命计算及检查间隔制定方法研究

文章调研了目前关于车轴材料属性和载荷条件离散性对剩余寿命的影响的处理方法并进行了简要总结；建立了车辆系统刚柔耦合动力学模型，提取了车轮20阶多边形条件下各工况车轴危险截面应力-时间历程，进行了应力谱的编制；基于小试样裂纹扩展试验数据拟合得到了NASGRO方程裂纹扩展参数，计算得到车轴卸荷槽部位裂纹深度为2～40 mm的剩余寿命；考虑材料属性和载荷条件离散性来制定车轴剩余寿命计算的安全系数；结合剩余寿命计算结果、超声波检测裂纹检出概率曲线和车轴失效概率制定了车轴合理的检查间隔。结果表明，车轮多边形条件下，车轴剩余寿命为38.5万km,考虑材料属性和载荷条件离散性的安全系数分别为1.26和1.33,得到车轴检查间隔为3.8万km。     

列车车轴裂纹的振动特性分析及在线监测方法

以危害性极大的车轴横裂纹为研究对象,分析裂纹车轴的振动特性,设计车轴裂纹在线监测系统。研究表明:当车轴存在裂纹时,其振动具有非线性特性,振动中出现各次谐波分量;1次和2次谐波的响应变化随裂纹扩展而增大,变化幅度随裂纹在车轴上的位置不同而不同,且2次谐波比1次谐波的响应变化大得多,3次及其以上的谐波对较浅裂纹来说可以忽略。结合机车车辆轮对振动监测的特殊性,提出综合运用转速跟踪采样、时域累加和平均、历经谱分析等方法对车轴裂纹进行振动监测分析,可有效抑制由支承轴承、车载设备或偶然性激励引起的背景噪声。经过在机车车辆轮对跑合试验台上的监测试验,监测结果与实际车轴裂纹相符,表明提出的在线监测方法能有效监测和识别列车车轴裂纹。     

车轴钢近门槛区裂纹扩展试验数据拟合处理研究

采用加权非线性回归方法对车轴钢疲劳裂纹扩展速率数据进行处理，并对近门槛区的数据岍予较大的权值，所得结果与试验点吻合较好，可为估算车轴的实际疲劳裂纹扩展寿命提供良好的试验依据。     

转向架构架及车轴的强度与无损探伤

介绍了以转向架构架焊接部为对象所开发的强度评价方法，以新干线电动车车轴为对象所实施的关于裂纹扩展的断裂力学评价，以及为新干线电动车车轴而开发的超声波自动探伤装置。     

基于概率断裂力学的车轴可靠性分析

基于线路实测数据,应用Miner线性累积损伤法则计算了车轴等效应力。根据应力强度因子公式预测了车轴裂纹临界尺寸,并建立了应力-强度干涉模型,通过改变变异系数,评估确定了极限裂纹尺寸情况下车轴裂纹扩展寿命的可靠性。     

基于监督学习的轨道车辆车轴裂纹扩展预测方法研究

传统裂纹扩展分析需要精确的数学模型以及校准参数,但现实中的复杂形状裂纹扩展过程难以进行精准建模,而通过有限元软件对裂纹扩展过程进行分析需大量的运算时间。因此,文章提出了基于监督学习的轨道车辆车轴裂纹扩展方法,该方法无需进行数学建模,可通过结构健康监测数据以及初始裂纹数据直接预测裂纹的扩展趋势。经验证,该方法预测准确率较高,能够较好地拟合裂纹扩展趋势。     

RD3A1车轴卸荷槽部位腐蚀裂纹的失效分析

在现场调研的基础上,对典型失效样品进行了失效分析,对表面腐蚀坑、裂纹进行了宏观和微观分析,表明裂纹是从表面腐蚀坑处萌生,沿着大体垂直于表面的方向向内穿晶扩展。结合RD3A1车轴卸荷槽部位的结构特点,阐述了车轴轴颈卸荷槽部位裂纹产生的机理,为制定有效的预防措施提供了可靠的依据。     

车轴疲劳裂,断的宏,微观特征和裂纹车轴的寿命预测

本文在系统研究典型组合条件下的模拟试样断口和对实物断轴进行全面失效分析的基础上，提出了铁路车轴疲劳断口的特征和以上述特征为判据进行失效分析的思路。讨论了在谱载荷下近门槛区的裂纹扩展特性，以及谱载荷下影响轮座压装部裂纹扩展剩余寿命的主要因素和它们相关的系列值，最后简述了防止车轴断裂的主要措施。     

改善新干线车辆车轴常规检测

用实尺寸车轴进行断裂力学计算、疲劳试验，对目前超声波探伤的精度进行测定，以提高新干线车辆车轴常规检测的效率而又不降低其安全性。作为许可的裂纹，提议对车辆最重要的部位，齿轮侧轮座内端3mm深的裂纹，对可能在运动中损伤的车轴中间无配合部位2mm深的裂纹进行检测，发现只要运用应力和残余应力保持现有水平，就有可能省去新干线车辆的转向架磁粉检测。     

空心车轴轮座处的裂纹扩展性评价

以往以既有线车辆使用的非高频淬火车轴的轮座为对象,探讨过裂纹的扩展性。车轴上通常装有车轮或齿轮、制动盘等其他匹配件。本文就车轴上装有车轮的轮座及靠近轮座处有匹配部（如齿轮、制动盘等）的非高频淬火镗孔车轴进行裂纹扩展性评价,同时介绍超声波探伤试验的结果。     

轨道车辆车轴强度及疲劳裂纹扩展寿命分析

以GCY300II型轨道车12 t轴重车轴为研究对象,采用机车车轴的强度标准,利用有限元计算方法计算车轴不同轴重下的6种不同工况的静强度和疲劳强度,在获得对应工况的应力分布及数值的基础上,进行车轴的静强度和疲劳强度分析,并确定车轴薄弱部位,然后假定车轴最薄弱部位出现疲劳裂纹,将不同轴重、不同工况下计算得到的应力数值作为车轴裂纹处的载荷应力谱,再结合疲劳断裂分析理论计算分析车轴疲劳裂纹扩展寿命。计算结果表明:车轴薄弱部位为车轴变截面处,其中最薄弱部位为车轮内侧轮座处上边缘。     

车轴超声波垂直探伤法的再研究

日本铁路于50年代制定的车轴超声波垂直探伤标准规定要对车轴进行超声波衰减度测定并分级，以检测具有裂纹发生前兆的车轴，同时对不同形状的车轴按同一基准分类，这些均与当前的实际情况不符。作者进行了大量调查研究，并对不同形状车轴的人工裂纹进行了测试，取得了如下结论：衰减度变化不能反映裂纹发生前兆现象，因而进行衰减度测定并分级没有实际意义，重要的是应确保车轴制造质量；原用的超声波探伤法精度偏低，已不能适应现有多种形状车轴的需要，应推广采用局部探伤、斜角探伤等超声波探伤新技术。     

既有线铁道车辆用车轴轮座上裂纹扩展性评估

为了评估大多数在既有线车辆上使用的正火处理的车轴轮座上裂纹的扩展性,在车轴的轮座上加工了各种深度不等的人工伤痕,并在公称应力为80MPa条件下实施了疲劳试验,各种人工伤痕出现了深度0．5～3mm的裂纹扩展,而以摩擦疲劳裂纹为主裂纹的齿轮侧轮座上出现了断裂。     

一种基于低周疲劳特性的含缺陷车轴剩余寿命预测模型

车轴几何约束和外部环境的特殊性,使得压装部、卸荷槽及过渡圆角易于形成缺陷或者微裂纹,该缺陷或微裂纹已成为高速列车运营的重大安全威胁。深入研究微裂纹的演变规律,准确预测含缺陷车轴的剩余强度和寿命,制定出合理、经济的无损检测周期,迫在眉睫。基于平面应力Ⅰ型裂纹尖端修正的RKE奇异场和循环塑性应变能准则,考虑应变硬化材料的小范围屈服行为,通过引入适用于正负应力比的裂纹闭合函数实现对裂纹闭合与近门槛区行为的模拟,提出一种基于材料低周疲劳特性的伤损车轴疲劳裂纹扩展寿命模型。结果表明,该模型的预测曲线与不同厚度标准试样得到的疲劳开裂数据吻合良好,可以用于承受典型旋转弯曲加载的铁路车轴的剩余寿命预测。