軸類部件旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷分析及試驗模擬.pdf

1、軸類構件過盈配合連接具有結(jié)構緊湊、對中性好以及沖擊小等優(yōu)點，被廣泛用于傳遞動力和運動。但是，大量工業(yè)實踐表明，過盈配合面間的微動損傷極大地降低了過盈配合構件的疲勞強度，造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。目前微動疲勞領域的研究大多集中在簡化的切向微動疲勞模式，而工業(yè)中的軸類構件受旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞載荷，其損傷是彎曲微動疲勞和拉扭微動疲勞耦合作用的結(jié)果。關于旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷的研究報道較少，開展軸類零件過盈配合結(jié)構的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞研究，不僅

2、對認識和深化復雜微動疲勞損傷機理有重要的理論意義，而且也能為實際工程的抗微動疲勞損傷設計提供的理論指導。
　　為揭示軸類構件微動損傷的現(xiàn)象和本質(zhì)，本研究以實際列車輪軸和電機軸/小齒輪軸的過盈配合部位為研究對象，利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子能譜、光電子能譜、里氏硬度儀和3D形貌儀等先進微觀分析手段，進行了詳細的失效分析，結(jié)果表明典型軸類部件過盈配合區(qū)的斷裂失效是旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞的結(jié)果。
　　本研究研制了一套模擬輪軸服役

3、行為的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了縮比結(jié)構的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞試驗模擬，很好地重現(xiàn)了輪軸的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷現(xiàn)象。本研究，針對LZ50車軸鋼和30CrNiMo8鋼，在不同參數(shù)（彎曲疲勞載荷、接觸應力、旋轉(zhuǎn)速度等）下系統(tǒng)地進行了輪軸縮比結(jié)構的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞的試驗研究，并結(jié)合有限元數(shù)值模擬，對旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞機理進行了深入研究。
　　完成的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　?。ㄒ唬㎜Z50車軸鋼旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷機理研究

4、>　　輪軸縮比旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞的試驗結(jié)果重現(xiàn)了實際服役輪座的損傷。在大量試驗基礎上，建立了LZ50車軸鋼縮比試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞S～N曲線，結(jié)果表明疲勞壽命隨彎曲疲勞載荷的變化呈現(xiàn)強烈的非單調(diào)特征。微觀分析發(fā)現(xiàn)，外側(cè)損傷帶（靠近彎曲載荷一側(cè)）的損傷以微動磨損為主，而內(nèi)側(cè)損傷帶的寬度較小，微動磨損較輕微，損傷主要表現(xiàn)為微動疲勞裂紋;有限元分析結(jié)果顯示，外側(cè)損傷帶內(nèi)的相對滑移幅值幾乎是內(nèi)側(cè)的3倍，且依賴于外加疲勞載荷?？s比試樣斷口呈多源性

5、和臺階狀特征。研究發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞壽命隨試驗速度的增加而下降，但損傷機理未發(fā)生改變;研究發(fā)現(xiàn)改變接觸應力（即過盈配合應力），試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞壽命存在急劇減小的壽命凹區(qū)，即對應微動運行的混合區(qū)，說明工程應用中應避開該區(qū)域;有限元分析發(fā)現(xiàn)，Ruiz參數(shù)可以預測旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞壽命隨接觸應力變化的行為。
　　（二）30CrNiMo8鋼旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷機理研究
　　基于輪軸旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞縮比試驗臺，研究建立了30Cr

6、NiMo8鋼的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞S～N曲線，結(jié)果顯示30CrNiMo8鋼的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞壽命急劇下降，其疲勞極限僅約90 MPa。30CrNiMo8鋼的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷現(xiàn)象類似于LZ50鋼，但其壽命對微動疲勞損傷更敏感，幾乎在所有外加疲勞載荷水平下，在試樣損傷帶內(nèi)均發(fā)現(xiàn)了微動疲勞裂紋，表現(xiàn)出更強烈的對疲勞載荷的依賴性。
　?。ㄈ┹S類構件旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷機理的基本特征
　　基于典型軸類部件過盈配合部位的失效分析和上述

7、兩種鋼的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞試驗研究，總結(jié)歸納的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷機理的基本特征如下:
　　(1)軸類構件的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞的對數(shù)疲勞壽命分布特征并不符合傳統(tǒng)的Basquin方程，表現(xiàn)出了較強的對疲勞載荷的依賴性。
　　(2)微動損傷發(fā)生在過盈配區(qū)邊緣，微動磨損最嚴重的位置發(fā)生在距接觸區(qū)邊緣一定距離的位置，微動磨損帶的寬度主要取決于外加疲勞載荷的大小;試樣表面微動磨損的機制主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝層。
　　(3)旋轉(zhuǎn)

8、彎曲微動疲勞的斷口呈現(xiàn)多源性和臺階狀特征;微動疲勞裂紋萌生于次表層，在裂紋萌生區(qū)可見孔洞等缺陷，微裂紋可能是孔洞聯(lián)通的結(jié)果;裂紋擴展呈三階段特征:a）接觸應力控制階段——裂紋與接觸表面的法向呈小角度擴展（約20～40°），并與表面微動磨損傾斜裂紋溝通;b）接觸應力和疲勞應力共同控制階段——隨著深度增加接觸應力的影響下降，裂紋逐漸轉(zhuǎn)向垂直于接觸表面擴展;c）疲勞應力控制階段——在裂紋垂直于接觸表面擴展，其行為相同于常規(guī)疲勞，直至最后斷裂。

9、
　　(4)在旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷過程中存在局部磨損與疲勞的競爭機制:在接觸區(qū)外側(cè)區(qū)域，應力、應變和滑移幅值均較高，損傷較嚴重，主要表現(xiàn)為磨損，且磨損后，顆粒的脫落和第三體的形成有效降低了該區(qū)域的應力集中，裂紋形成受到抑制;而在內(nèi)側(cè)，磨損相對輕微，局部疲勞占優(yōu)，裂紋易形成和擴展。
　　(5)旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷表現(xiàn)出了強烈的材料依賴性，即高強度材料的微動疲勞壽命下降因子高;同時，旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞損傷也體現(xiàn)出一定的運行速度和疲