CN106596148A - 铁路车轴修正kt图的获取方法及损伤容限设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路车轴修正Kitagawa–Takahashi(简称KT)图的获取方法及其损伤容限设计方法，包括以下步骤：步骤一、获得车轴的疲劳极限σ_c；步骤二、在车轴所研究部位切割出深度为0.5～2mm的垂直于轴线的半椭圆形裂纹，在logΔσ～loga坐标系上绘制出一条直线A；步骤三、在logΔσ～loga坐标系上绘制直线B；步骤四、在logΔσ～loga坐标系上拟合出裂纹长度d₁～d₂之间的轮廓线；步骤五、在不同载荷水平下测定疲劳裂纹扩展规律，绘制出0～d₁之间的轮廓线，获得考虑疲劳短裂纹效应的修正KT图。根据本发明设计的修正KT图，从车轴部位上测得相应的裂纹长度，即可读出所对应的疲劳极限，可确保车轴服役可靠性，同时可以根据长期运行经验，得到适当延长或者缩短无损探测周期的方案。

Description

铁路车轴修正KT图的获取方法及损伤容限设计方法

技术领域

本发明涉及疲劳损伤分析技术领域，尤其涉及高速铁路车轴修正Kitagawa–Takahashi(KT)图的获取方法及损伤容限设计方法。

背景技术

当前国内外动车轴空心车轴设计均基于传统的安全强度设计理论(或名义应力法)，未考虑到实际材料制造及运行中缺陷(或裂纹)的演变特性及其应力放大效应。虽然近年来疲劳断裂力学在车轴无损检测周期方案制定和寿命评价中得到重视和应用，但所假设的裂纹普遍大于2mm，而裂纹扩展寿命仅占服役总寿命很小一部分，导致车轴安全限界过大，给相关主机厂造成巨大损失，但束手无策，已成为高速列车共性基础结构设计的不确定性因素和重大隐患。

显然，若不考虑实际车轴运行中的短裂纹效应，则将偏于危险地得到车轴疲劳强度和服役寿命结果。这一问题的根本症结是没有考虑到车轴运行中产生的疲劳短裂纹，没有根据实际应力状态考虑疲劳短裂纹对服役状态的影响，虽然近年来国内外均开展了疲劳短裂纹研究，但未把常规设计准则与损伤容限设计方法有机结合起来综合考察其服役行为。

疲劳损伤是高速列车基础部件的关键科学问题之一，比较准确地预测出固有或者潜在缺陷的演变特性，确保列车不发生关键部件失效导致的脱轨和翻车等恶性事故，具有重要意义。一方面，传统强度评估方法没有考虑基体材料及结构几何的固有不连续性，忽略了由此带来的应力的局部增大，给出了过于保守的设计结论；另一方面，车轴在制造、运输、服役和维护中不可避免出现磕碰伤、擦划伤、异物撞击坑、环境腐蚀坑、压装部磨损等微小缺陷，成为列车高速运行的巨大安全隐患。现行车轴二级修规定，一旦轴身缺陷深度大于0.3mm，立即换轴；而在卸荷槽和配合面等临界安全部位则不允许出现大于0.1mm的缺陷。

专利文件(CN 106126856 A)公开了一种适用于负应力比的基于低周疲劳性能参数的裂纹扩展速率预测方法，详细介绍了短裂纹萌生寿命的计算方法。

发明内容

本发明旨在提供铁路车轴修正KT图的获取方法及损伤容限设计方法，考虑了疲劳短裂纹效应。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

高速铁路车轴的修正KT图的获取方法，包括以下步骤：

步骤一、基于名义应力方法选取至少3根以上的全尺寸车轴进行台架疲劳试验，得到疲劳极限σ_c，把σ_c所对应的缺陷尺寸设为d₁，d₁＝10d，其中d为平均晶粒尺度或微结构障碍长度；

步骤二、在i根取样车轴的研究部位切割出深度为0.5～2mm的垂直于轴线的半椭圆形裂纹，然后对这i根车轴进行旋转弯曲疲劳加载台架试验，使所述半椭圆形裂纹扩展，扩展后的裂纹对应的深度为a_i，利用公式(1)在log Δσ～log a坐标系上绘制出一条直线A，所述直线A的最高点对应的横坐标为log d₂；

式(1)中，ΔK_th为疲劳裂纹扩展门槛值，a_i为第i根车轴对应的裂纹实时长度，Δσ_i为名义应力幅值，d₂为临界长裂纹长度；

步骤三、在log Δσ～log a坐标系上绘制一条平行于横坐标的直线B，所述直线B的纵坐标值为log σ_c；

步骤四、利用公式(2)在log Δσ～log a坐标系上拟合出裂纹长度d₁～d₂之间的轮廓线：

式(2)中，a₀为本征裂纹长度，log a₀等于直线A与直线B的交点的横坐标值；

步骤五、绘制0～d₁之间的轮廓线：

第一步、在j根取样车轴的研究部位切割出深度为0.5～2mm的垂直于轴线的半椭圆形裂纹，然后在100～200N载荷范围内对这j根车轴进行台架疲劳试验，获得深度为a_j的裂纹；

第二步、通过原位扫描电镜设备，测定裂纹长度a_j所对应的临界应力幅Δσ_0j；

第三步、根据a_j和Δσ_0j，在log Δσ～log a坐标系上绘制出0～d₁之间的轮廓线，获得考虑短裂纹的修正KT图。

进一步的，所述步骤一中选取至少3根以上的全尺寸车轴进行台架疲劳试验，结合欧系EA4T合金钢或者碳素钢感应淬火空心车轴设计标准，得到疲劳极限σ_c。

进一步的，所述步骤二和步骤五中采用电火花切割出裂纹。

考虑疲劳短裂纹效应的空心车轴损伤容限设计方法，从车轴上测得裂纹的长度，如果车轴所处的状态在修正KT图的包络线之内，则该车轴处于安全的状态；如果车轴所处的状态不在修正KT图的包络线之内，则对该车轴的疲劳寿命进行评估。具体的，根据修正KT图从车轮-车轴、齿轮-车轴、卸荷槽、齿轮-轴身过渡区、轴身等车轴部位上测得相应的裂纹长度，即可读出所对应的疲劳极限，结合实测动应力推测出相应部位的名义应力幅值，若小于图上疲劳极限，则认为该缺陷安全，可确保车轴服役可靠性，同时可以根据长期运行经验，得到适当延长或者缩短无损探测周期的方案。

进一步的，为得到更加准确的无损探测周期，还需要根据Paris公式积分获得长裂纹扩展寿命，并与短裂纹萌生寿命合并，短裂纹萌生寿命与长裂纹扩展寿命之和为车轴的疲劳寿命。

进一步的，根据车轴运行状态、大量运行经验数据及经济可靠性指标，预测车轴整体服役寿命，制定合适的检修周期。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.根据本发明设计的修正KT图，从车轮-车轴、齿轮-车轴、卸荷槽、齿轮-轴身过渡区、轴身等车轴部位上测得相应的裂纹长度，即可读出所对应的疲劳极限，结合实测动应力推测出相应部位的名义应力幅值，若小于图上疲劳极限，则认为该缺陷安全，可确保车轴服役可靠性，同时可以根据长期运行经验，得到适当延长或者缩短无损探测周期的方案；

2.本发明从设计阶段即把疲劳短裂纹效应导致的临界裂纹长度或者临界应力与车轴不同部位(车轮-车轴、齿轮-车轴、卸荷槽、齿轮-轴身过渡区、轴身)的实际应力状态结合起来，突破了传统名义法因仅考虑单一疲劳极限值而未把疲劳短裂纹致临界应力降低的设计理念，从理论上确保了无损探测周期方案延长的技术可行性、服役经济性和安全性，对高速列车转向架其他临界安全部件亦有重要的借鉴意义。

附图说明

图1是未考虑短裂纹效应的经典KT图；

图2是依据本发明方法设计的考虑短裂纹效应的修正KT图；

图3是考虑短裂纹效应的疲劳裂纹扩展速率关系图；

图4是不同载荷水平下较大尺寸单边预制裂纹弯曲疲劳试样；

图5基于FIB切割的含缺口的小试样的结构示意图；

图6是考虑短裂纹效应后的寿命曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明公开的高速铁路车轴的修正KT图的获取方法，包括以下步骤：

步骤一、基于名义应力方法选取至少3根以上的全尺寸车轴进行台架疲劳试验，结合欧系EA4T合金钢和碳素钢感应淬火空心车轴设计标准，得到疲劳极限σ_c，把σ_c所对应的缺陷尺寸设为d₁，d₁＝10d，其中d为平均晶粒尺度或微结构障碍长度；

步骤二、在i根取样车轴的研究部位采用电火花方法切割出深度为0.5～2mm的垂直于轴线的半椭圆形裂纹，然后对这i根车轴进行旋转弯曲疲劳加载台架试验，使所述半椭圆形裂纹扩展，扩展后的裂纹对应的深度为a_i，利用公式(1)在log Δσ～log a坐标系上绘制出一条直线A，所述直线A的最高点对应的横坐标为log d₂；

式(1)中，ΔK_th为疲劳裂纹扩展门槛值，a_i为第i根车轴对应的裂纹实时长度，Δσ_i为名义应力幅值，d₂为临界长裂纹长度；

步骤三、在log Δσ～log a坐标系上绘制一条平行于横坐标的直线B，所述直线B的纵坐标值为log σ_c；

步骤四、利用公式(2)在log Δσ～log a坐标系上拟合出裂纹长度d₁～d₂之间的轮廓线：

式(2)中，a₀为本征裂纹长度，log a₀等于直线A与直线B的交点的横坐标值；

步骤五、绘制0～d₁之间的轮廓线：

第一步、在j根取样车轴的研究部位采用电火花切割出深度为0.5～2mm的垂直于轴线的半椭圆形裂纹，然后在100～200N载荷范围内对这j根车轴进行台架疲劳试验，获得深度为a_j的裂纹；

第二步、通过原位扫描电镜设备，测定裂纹长度a_j所对应的临界应力幅Δσ_0j；

第三步、根据a_j和Δσ_0j，在log Δσ～log a坐标系上绘制出0～d₁之间的轮廓线，获得考虑疲劳短裂纹效应的修正KT图(如图2所示)。根据该图从车轮-车轴、齿轮-车轴、卸荷槽、齿轮-轴身过渡区、轴身等车轴部位上测得相应的裂纹长度，即可读出所对应的疲劳极限，结合实测动应力推测出相应部位的名义应力幅值，若小于图上疲劳极限，则认为该缺陷安全，可确保车轴服役可靠性，同时可以根据长期运行经验，得到适当延长或者缩短无损探测周期的方案。根据车轴运行状态、大量运行经验数据和经济可靠性指标，预测车轴整体服役寿命，以及制定合适的检修周期。如果车轴所处的状态在修正KT图(图2所示)的包络线之内，则该车轴处于安全的状态。如果车轴处于安全的状态，可以根据长期运行经验，得到适当延长或者缩短无损探测周期的方案。

考虑疲劳短裂纹效应的空心车轴损伤容限设计方法，如果车轴所处的状态不在修正KT图(图2所示)的包络线之内，则对该车轴的疲劳寿命进行评估。车轴的疲劳寿命等于短裂纹萌生寿命与长裂纹扩展寿命之和。本实施方式中根据Paris公式积分获得长裂纹扩展寿命：

da/dN＝C(ΔK)^m,其中C和m是材料参数。

短裂纹萌生寿命采用公式(3)计算：

短裂纹萌生寿命的计算公式为现有技术，此处不再赘述。

根据车轴运行状态、大量运行经验数据及经济可靠性指标，预测车轴整体服役寿命，制定合适的检修周期。由图2可知，一旦出现短裂纹，则车轴压装部位能够承受的载荷将显著下降，并可能远低于根据名义应力法得到的疲劳极限值Δσ_c。若仍然按照设定的图1中疲劳极限值对车轴进行安全性评价，则必然给出偏于危险的结论。2008年7月震惊世界的德国高铁ICE车轴断裂问题就被认为是没有考虑到这一个问题所导致。再从图3可看出，如果按照经典的长裂纹理论对车轴进行损伤容限设计，则疲劳短裂纹的贡献将没有计入服役寿命。

得到上述疲劳短裂纹特性后，便可以得到车轴不同部位考虑短裂纹效应后总的寿命曲线，如图6所示，以及根据这一完整寿命曲线得到的无损探测周期方案。

由此可见，初始裂纹尺寸尤其是短裂纹长度(决定了剩余寿命)会影响裂纹总检出概率的计算结果。此处的失效或破坏概率不等同于列车编组中每一根车轴(初始裂纹尺寸并不一致)在给定检修周期内的破坏风险。必须注意，车轴无损探测周期的准确预测还依赖于灵敏度和空间精度更高的无损探测设备的开发和应用，而这将有利于疲劳短裂纹的高检出率。

虽然不同载荷水平疲劳短裂纹长度及其对应的外加应力(图2)和疲劳短裂纹扩展特性(图3)可由较大尺寸的单边预制裂纹弯曲试样获得，如图4所示。

但采用如4所示的较大尺寸试样有时还很难准确测出短裂纹及其演变特性，为了对上述较大尺寸单边裂纹试样无法精确获取短裂纹的不足，本发明提出小试样的补正方案。这种小试样获取的短裂纹在我国大科学装置-上海辐射光源13W1成像线站进行，也是迄今为止最为精确的高端试验方法。所采用的原位疲劳试验机及相应的短裂纹试验方法在专利申请文件(CN 105334237 A)中进行了公开。

根据原位疲劳试验机及相应的短裂纹试验方法，本发明设计了图5所示的基于同步辐射X射线三维成像疲劳试验机的短裂纹小试样，小试样的具体尺寸如图5所示。作为优选，采用离子束切割(FIB)方法制作缺口，以便于短裂纹萌生和扩展观测。当裂纹扩展稳定后，然后根据这个裂纹的形貌使用理论模型进行寿命预测。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.铁路车轴修正KT图的获取方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、基于名义应力方法选取至少3根以上的全尺寸车轴进行台架疲劳试验，得到疲劳极限σ_c，把σ_c所对应的缺陷尺寸设为d₁，d₁＝10d，其中d为平均晶粒尺度或微结构障碍长度；

步骤二、在i根取样车轴的研究部位切割出深度为0.5～2mm的垂直于轴线的半椭圆形裂纹，然后对这i根车轴进行旋转弯曲疲劳加载台架试验，使所述半椭圆形裂纹扩展，扩展后的裂纹对应的深度为a_i，利用公式(1)在logΔσ～log a坐标系上绘制出一条直线A，所述直线A的最高点对应的横坐标为log d₂；

${\mathrm{\ΔK}}_{th}={\mathrm{\Δ\σ}}_i*\sqrt{{\mathrm{\πa}}_i}---\left(1\right)$

式(1)中，ΔK_th为疲劳裂纹扩展门槛值，a_i为第i根车轴对应的裂纹实时长度，Δσ_i为名义应力幅值，d₂为临界长裂纹长度；

步骤三、在logΔσ～log a坐标系上绘制一条平行于横坐标的直线B，所述直线B的纵坐标值为logσ_c；

步骤四、利用公式(2)在logΔσ～log a坐标系上拟合出裂纹长度d₁～d₂之间的轮廓线：

${\mathrm{\Δ\σ}}_i/{\mathrm{\Δ\σ}}_c=\sqrt{a_0/(a_0+a_i)}---\left(2\right)$

式(2)中，a₀为本征裂纹长度，log a₀等于直线A与直线B的交点的横坐标值；

步骤五、绘制0～d₁之间的轮廓线：

第一步、在j根取样车轴的研究部位切割出深度为0.5～2mm的垂直于轴线的半椭圆形裂纹，然后在100～200N载荷范围内对这j根取样车轴进行台架疲劳试验，获得深度为a_j的裂纹；

第二步、测定裂纹长度a_j所对应的临界应力幅Δσ_0j；

第三步、根据a_j和Δσ_0j，在logΔσ～log a坐标系上绘出0～d₁之间的轮廓线，获得考虑短裂纹效应的修正KT图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二和步骤五中采用电火花切割出裂纹。

3.考虑疲劳短裂纹效应的空心车轴损伤容限设计方法，其特征在于：从车轴上测得裂纹的长度，如果车轴所处的状态在修正KT图的包络线之内，则该车轴处于安全的状态；如果车轴所处的状态不在修正KT图的包络线之内，则对该车轴的疲劳寿命进行评估。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述车轴的疲劳寿命＝长裂纹扩展寿命+短裂纹萌生寿命，根据Paris公式积分获得长裂纹扩展寿命。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：如果车轴处于安全的状态，可以根据长期运行经验，得到适当延长或者缩短无损探测周期的方案。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：根据车轴运行状态、大量运行经验数据及经济可靠性指标，预测车轴整体服役寿命，制定合适的检修周期。