含异物击打伤高速动车组车轴疲劳寿命预测 .pdfVIP

含异物击打伤高速动车组车轴疲劳寿命预测

车轴是高速动车组的关键部件。车轴断裂极有可能造成动车组脱

轨，导致灾难性的后果。根据欧洲铁路管理局（ERA）铁路安全性能

报告的统计，平均约每5000万km运营里程发生1次断轴事故。断

轴事故调查分析表明，高周疲劳是车轴的主要失效模式[1]，且以车轴

表面缺陷导致的疲劳最为常见。动车组高速运行时异物很有可能高速

冲击车轴，形成外物损伤缺陷（ForeignObjectDamage，FOD）。

FOD周围的残余应力场对短疲劳裂纹扩展有显著影响[2-4]。部分学者

分析了高铁车轴表面典型缺陷的表征方法和疲劳特性，研究缺陷大小

等参数对车轴疲劳性能和疲劳寿命的影响规律[5-6]。部分学者从断裂

力学或损伤的角度评估了车轴的疲劳强度和损伤容限[7-11]，表明小

于临界尺寸的表面缺陷对25CrMo4车轴或EA4T车轴的疲劳强度几乎

没有影响。但也有研究表明，超过临界尺寸的表面缺陷将导致车轴在

低于疲劳极限的载荷作用下断裂[12-13]。疲劳损伤是与时间正相关的

塑性应变高度局部化损伤，基于此理念提出损伤过程区（Damage

ProcessZone，DPZ）的概念[14]，认为疲劳损伤局限在DPZ中。可

引入疲劳指示参数（FatigueIndicatorParamter，FIP）[15]表征累

积损伤的程度，进而建立FIP与疲劳寿命的关系。

在修程修制改革的工作要求下，延长检修周期成为车轴运维的必

然要求。而车轴表面击打伤影响车轴疲劳性能，成为延长检修周期的

制约因素。为预防由于FOD引发的断轴事故，维护铁路运输安全，有

必要加强对车轴FOD问题的深入研究，为动车组车轴修程修制改革提

供试验基础和理论支撑。

本文以小试样寿命预测模型为基础，考虑尺寸效应，构建含异物

击打伤实物车轴寿命预测模型。以缺陷尺寸和交变应力为主要参量，

对实物车轴进行寿命预测和台架验证。

1试验设备、材料和方法

1.1小试样疲劳试验

试验用疲劳小试样取自动车组新造EA4T车轴轴身距表面10mm

处，光滑小试样尺寸如图1所示。采用升降法确定疲劳极限，按成组

试验法在较高应力水平下进行试验。试验设备为四连式悬臂梁型旋转

弯曲疲劳试验机。

图1旋转弯曲疲劳小试样（单位：mm）

采用霍普金森压杆（SHPB）试验方法模拟车轴表面异物击打伤，

试验装置如图2所示。试验时，采用正方体状钨钢弹丸高速冲击旋转

弯曲疲劳小试样长度方向的中部位置，冲击速度为100m·s-1。钨钢

弹丸与车轴钢试样的接触方式较为随机，有面接触、棱边接触以及角

接触3种方式，如图3所示。考虑较不利情况，选取棱接触或角接触

损伤试样进行旋转弯曲疲劳性能测试。

图2霍普金森压杆（SHPB）试验装置

图3模拟冲击损伤时钨钢弹丸与车轴钢试样接触方式

1.2实物车轴台架试验

试验用实务车轴为某CRH380BL型动车组A4级修时表面含严重

异物击打伤车轴，如图4所示，已运行76.334万km。将轮对退卸后

的含击打伤车轴按要求加工疲劳试样，压装工装轮后组成半轮对，在

全尺寸疲劳试验台上进行疲劳试验，如图5所示。该设备的原理是使

测试试样的振动频率尽可能接近共振频率，通过一定的振幅在试样的

测试截面上获得目标应力水平。

图4含异物击打伤车轴

由于动车组车轴强度校核中，动力车轴空气制动最大截面应力

118.8MPa，动力车轴正常行驶过程中载荷均小于70MPa。因此，台

架试验时选用最苛刻的118.8MPa恒定载荷施加于考核缺陷处。采用

Shapescan3DGFM现场型光学三维划痕缺陷测量仪对缺陷位置、深

度、面积、体积以及缺陷底部尖锐程度进行统计。

图5轮轴全尺寸疲劳试验台

采用测量设备得到含异物击打伤车轴的典型形貌及其横截面尺寸

如图6所示。测量结果表明，击打伤深度一般不超过2mm。

图6含异物击打伤车轴典型形貌和横截面尺寸

1.3基于FIP的疲劳寿命预测

对于含异物击打伤车轴，引入缺陷临