動(dòng)車組車輪疲勞性能估算研究

張澎湃，張關(guān)震，趙方偉，吳 斯，高俊莉，尹鴻翔，叢 韜

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081)

車輪作為機(jī)車車輛的重要走行部件，其疲勞性能是關(guān)系行車安全的重要指標(biāo)[1-3]。雖然國內(nèi)外車輪的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件中均對(duì)動(dòng)車組車輪的疲勞性能進(jìn)行了規(guī)定，但是受到諸多客觀條件限制，目前國內(nèi)尚無測試獲得的常溫條件下動(dòng)車組車輪疲勞極限和S—N曲線，更沒有開展過低溫條件下動(dòng)車組車輪的疲勞測試研究工作。動(dòng)車組運(yùn)營時(shí)可能會(huì)承受高溫—低溫的環(huán)境變化，如冬季運(yùn)行于京廣、京滬等貫通南北長大交路上的高速列車；又如冬季運(yùn)行于哈大客運(yùn)專線(冬季最低溫度可達(dá)-40 ℃)上的高速列車。在溫度劇烈變化下車輪疲勞可靠性方面，科研單位所做的研究還不夠完善；一方面，缺少常溫、低溫環(huán)境下車輪疲勞性能的測試數(shù)據(jù)，另一方面，目前世界范圍內(nèi)沒有檢測低溫環(huán)境下車輪疲勞性能的試驗(yàn)條件。

為能夠獲得低溫環(huán)境下動(dòng)車組車輪疲勞性能，同時(shí)也為獲得常溫和低溫環(huán)境下高置信度和存活率的車輪疲勞極限、S—N曲線等基礎(chǔ)科研數(shù)據(jù)，從材料疲勞極限測試、車輪疲勞性能影響因素、基于材料疲勞極限的車輪疲勞性能估算等方面進(jìn)行了研究。

1 材料疲勞極限測試

1.1 測試方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4337—2015《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 旋轉(zhuǎn)彎曲方法》開展常溫和低溫試驗(yàn)條件下車輪材料的疲勞極限測試。

旋轉(zhuǎn)彎曲小試樣加工圖如圖1所示。該試樣為圓柱光滑試樣，在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上旋轉(zhuǎn)并承受彎矩載荷，其中彎矩載荷大小和方向均不變化。試樣通過夾具組裝成梁，承受4點(diǎn)載荷。在試樣失效或達(dá)到預(yù)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)時(shí)，中止試驗(yàn)。

圖1 旋轉(zhuǎn)彎曲小試樣(單位：mm)

開展低溫條件下疲勞極限測試時(shí)，為保證低溫試驗(yàn)溫度，避免試驗(yàn)頻率過快導(dǎo)致的試樣發(fā)熱，采用頻率較低的拉壓疲勞試驗(yàn)方式測試車輪材料的疲勞極限，整個(gè)試驗(yàn)在低溫試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行。拉壓小試樣加工圖如圖2所示。

圖2 拉壓小試樣(單位：mm)

制備圖1和圖2所示小試樣時(shí)，在車輪輻板上沿徑向取樣，取樣示意圖如圖3所示。

1.2 測試結(jié)果

選取某型動(dòng)車組廣泛使用的ER8C車輪為研究對(duì)象，按照?qǐng)D1—圖3所示的規(guī)定制備小試樣，并采用小子樣升降法得出車輪材料的疲勞極限，對(duì)測試數(shù)據(jù)處理后估算99%置信度和可靠性下的疲勞極限，結(jié)果見表1[4]。表中：常溫試驗(yàn)試樣按照?qǐng)D1加工，為30個(gè)；-20和-40 ℃試驗(yàn)試樣按照?qǐng)D2加工，均為14個(gè)。

表1 不同試驗(yàn)溫度下的車輪材料疲勞極限

通過觀察試樣斷口發(fā)現(xiàn)，在較低應(yīng)力下，疲勞裂紋易于在試樣表面的夾雜處萌生；在較高應(yīng)力下，疲勞裂紋對(duì)試樣表面的劃痕更為敏感。這表明，ER8C車輪輻板的疲勞斷裂在低應(yīng)力和高應(yīng)力階段具有不同的裂紋萌生機(jī)制。

由表1可知，隨著溫度的降低，車輪材料疲勞極限呈上升趨勢，這是由于溫度下降后材料變硬、同時(shí)韌性和塑性降低導(dǎo)致的，雖然溫度降低后疲勞極限有所提高，但是這只表明裂紋萌生壽命增大，且由于材料韌塑性降低，一旦裂紋萌生將快速擴(kuò)展。

2 車輪疲勞性能影響因素

車輪疲勞性能測試是開展車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)TJ/CL 519—2016《動(dòng)車組用D2輾鋼整體車輪暫行技術(shù)條件》， TJ/CL 275A—2016《動(dòng)車組車輪暫行技術(shù)條件》均對(duì)車輪疲勞性能進(jìn)行了規(guī)定：測試時(shí)試樣為2個(gè)車輪，試驗(yàn)應(yīng)力為±240 MPa的徑向應(yīng)力，每個(gè)車輪的循環(huán)次數(shù)為1 000萬次，試驗(yàn)結(jié)束后不應(yīng)出現(xiàn)裂紋。該項(xiàng)指標(biāo)規(guī)定了車輪疲勞性能的下限值，不能描述車輪實(shí)際的疲勞性能。指定存活率和置信度下的車輪疲勞極限和S—N曲線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲得難度很大，需要耗費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)和科研投入，同時(shí)需要漫長的測試周期。在分析車輪產(chǎn)品疲勞性能影響因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)小試樣疲勞性能估算車輪疲勞性能，可以節(jié)約高昂的測試經(jīng)費(fèi)，對(duì)車輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、壽命和可靠性估算將具有積極的工程和理論意義。

下面從尺寸系數(shù)和表面加工系數(shù)2個(gè)方面，分析材料疲勞極限與車輪疲勞性能之間的關(guān)聯(lián)性。

2.1 尺寸系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)試樣的直徑通常為(6～10) mm，它比車輪的實(shí)際尺寸小得多，車輪疲勞性能估算時(shí)，首先要考慮的是尺寸系數(shù)ε[5]，為

(1)

式中：d為車輪直徑或截面特征尺寸，mm；d0為光滑小試樣的直徑或截面特征尺寸，mm。

應(yīng)用式(1)確定某一型號(hào)動(dòng)車組車輪尺寸系數(shù)時(shí)，需采用成熟的評(píng)定準(zhǔn)則對(duì)車輪疲勞強(qiáng)度評(píng)定并找到疲勞強(qiáng)度最薄弱位置。考慮車輪輻板厚度方向與其光滑小試樣徑向受力狀態(tài)相似的特點(diǎn)，取車輪疲勞強(qiáng)度最薄弱位置對(duì)應(yīng)的輻板厚度作為車輪的截面特征尺寸。

圖1和圖2所示2種光滑小試樣的直徑不同，對(duì)于給定的一系列輻板厚度，結(jié)合式(1)可以計(jì)算這2種試樣對(duì)應(yīng)的尺寸系數(shù)曲線如圖4所示。

圖5所示的某型動(dòng)車組拖車車輪疲勞強(qiáng)度最薄弱區(qū)域?qū)?yīng)的直徑為175 mm，對(duì)應(yīng)輻板厚度為36 mm，保守起見按照40 mm取值。查詢圖4所示的尺寸系數(shù)曲線，可得常溫、低溫疲勞實(shí)驗(yàn)試樣對(duì)應(yīng)的尺寸系數(shù)分別為0.864和0.849。

圖4 光滑小試樣尺寸系數(shù)曲線

圖5 某型動(dòng)車組車輪疲勞強(qiáng)度分布圖

2.2 表面加工系數(shù)

動(dòng)車組車輪沒有進(jìn)行表面處理(滲碳、滲氮、氰化、淬火、激光處理)，因此不用考慮表層組織結(jié)構(gòu)變化對(duì)車輪疲勞性能的影響，而且輻板表面不用進(jìn)行滾壓、噴丸、擠壓等表面冷作強(qiáng)化處理，因此不用考慮表層應(yīng)力狀態(tài)對(duì)車輪疲勞性能的影響，僅考慮表面加工粗糙度對(duì)疲勞性能的影響即可。

根據(jù)Frost提出著名的裂紋試樣疲勞極限公式[7-8]定量求解表面加工系數(shù)，為

(2)

式中：L為裂紋長度；σe為疲勞極限；m為材料常數(shù)，通過試驗(yàn)測試獲得；C為材料常數(shù)，既適用于長裂紋又適用于短裂紋，尤其適用于短裂紋。

表面粗糙度影響車輪疲勞性能的方式與短裂紋類似，因此將車輪表面粗糙度中微小峰谷值視為短裂紋，則表面粗糙度Ra與疲勞極限σe的關(guān)系為

(3)

根據(jù)2個(gè)表面粗糙度Ra1和Ra2下測量的車輪材料疲勞極限σe1和σe2，結(jié)合式(3)可得表面加工系數(shù)β為

(4)

根據(jù)圖6所示的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)[9]可知，自主化D2材質(zhì)車輪小試樣表面粗糙度為4.1 μm時(shí)的疲勞極限為280 MPa，表面粗糙度為0.7 μm時(shí)的疲勞極限為287.5 MPa，隨著表面粗糙度由4.1 μm提高到0.7 μm時(shí)，疲勞極限提升了7.5 MPa(約2.6%)。將2種光滑小試樣的表面粗糙度(4.1 μm，0.7 μm)、疲勞極限(280 MPa，287.5 MPa)代入式(4)，可求得m數(shù)值為66.873，則有

(5)

圖6 2種不同粗糙度下D2材質(zhì)車輪光滑小試樣的表面粗糙度及S—N曲線

根據(jù)式(5)和圖1和圖2所示光滑小試樣的表面粗糙度可以計(jì)算各型動(dòng)車組車輪的表面加工系數(shù)，假設(shè)某型動(dòng)車組車輪輻板表面粗糙度為3.2 μm，圖1和圖2所示光滑小試樣對(duì)應(yīng)的表面粗糙度分別為0.40和0.32 μm，當(dāng)按照?qǐng)D1和圖2所示試樣疲勞極限估算車輪疲勞極限時(shí)，2個(gè)光滑小試樣對(duì)應(yīng)的表面加工系數(shù)β分別為0.969和0.966。

3 基于材料疲勞極限的車輪疲勞性能估算

結(jié)合小試樣疲勞性能測試數(shù)據(jù)、尺寸系數(shù)和表面敏感系數(shù)可以估算車輪疲勞性能，估算關(guān)系為

σev=εβσe

(6)

式中：σev為車輪疲勞極限估算值。

根據(jù)式(6)，可以估算各種運(yùn)用條件下的車輪疲勞極限見表2。

表2 不同溫度下的車輪疲勞極限 MPa

為驗(yàn)證表2估算結(jié)果的可信程度，將國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC 510-5—2003《整體車輪技術(shù)認(rèn)證規(guī)程》第49頁附錄B3.9中歐洲車輪疲勞極限的測試數(shù)據(jù)與本文估算值進(jìn)行了對(duì)比，表明標(biāo)準(zhǔn)UIC 510-5—2003中50%存活率下車輪疲勞極限為281 MPa，本文50%存活率下動(dòng)車組車輪疲勞極限估算值見表3。

表3 50%存活率下車輪疲勞極限估算值及與UIC510-5—2003實(shí)測值的相對(duì)比率

試驗(yàn)溫度材料疲勞極限/MPa尺寸系數(shù)ε表面敏感系數(shù)β車輪疲勞極限/MPa相對(duì)比率/%常溫 313.10.8640.969262.1-6.73-20 ℃低溫322.10.8490.966264.2-5.98-40 ℃低溫393.60.8490.966322.814.88均值283.00.71

標(biāo)準(zhǔn)UIC 510-5—2003中歐洲車輪疲勞極限為常溫條件下測試獲得的，與表3中常溫條件下車輪疲勞極限估算的可比性最強(qiáng)。對(duì)比二者數(shù)據(jù)可知，本文估算值比標(biāo)準(zhǔn)UIC 510-5—2003的實(shí)測值低約7%，認(rèn)為造成二者差異原因如下。

(1)測試方法不同造成的誤差：標(biāo)準(zhǔn)UIC 510-5—2003車輪疲勞極限測試時(shí)，試驗(yàn)應(yīng)力基于應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)以及車輪鋼彈性模量、泊松比，應(yīng)變測試、彈性模量及泊松比取值均可能存在誤差；此外，試驗(yàn)過程中載荷和試驗(yàn)應(yīng)力也存在波動(dòng)。

(2)疲勞性能離散造成的誤差：影響疲勞的因素很多且非常復(fù)雜，疲勞極限測試值測試結(jié)果也存在離散性。

(3)評(píng)估方法相對(duì)保守造成的誤差：動(dòng)車組車輪是涉及運(yùn)用安全的關(guān)鍵部件，必須保障運(yùn)用安全，本文采用的車輪疲勞極限估算方法略偏于保守，導(dǎo)致估算值比實(shí)際疲勞極限數(shù)值稍偏低。

基于上述分析，本文提出的疲勞極限估算方法具有一定實(shí)用性，估算值與實(shí)際值之間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，估算效果具有一定的可信性。

由表2可知車輪鋼疲勞極限測試值隨著溫度降低而增加，對(duì)于這種現(xiàn)象，從工程角度來看，在硬化指數(shù)變化不大的情況下，鋼的疲勞極限與抗拉強(qiáng)度存在一定的比例關(guān)系；當(dāng)溫度降低時(shí)，由于鋼中原子運(yùn)動(dòng)能力下降，發(fā)生塑性流變幾率降低，強(qiáng)度升高，隨之疲勞極限升高。從疲勞理論角度來看，鋼的牽勞極限與駐留滑移帶(PSB)的萌生應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)臨界分切應(yīng)力高于駐留滑移帶萌生應(yīng)力時(shí)，鋼會(huì)發(fā)生疲勞損傷以至于開裂；溫度降低，鋼的滑移開動(dòng)變得困難，臨界分切應(yīng)力升高，對(duì)應(yīng)疲勞極限升高。然而，當(dāng)溫度下降到韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，鋼的變形機(jī)制從滑移轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫恚唧w的疲勞損傷機(jī)理還沒有成熟的理論支撐，還需進(jìn)行深入的研究。

S—N曲線是疲勞性能評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。GL規(guī)范《Guideline for the Certification of Wind Turbines》是風(fēng)電行業(yè)內(nèi)廣泛使用的結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估國際標(biāo)準(zhǔn)[10-11]，GL規(guī)范針對(duì)塔筒、輪轂等碳素鋼結(jié)構(gòu)提供了一種根據(jù)疲勞極限擬合S—N曲線的方法?？紤]到車輪鋼與風(fēng)電塔筒、輪轂等都屬于碳素鋼材料體系，因此車輪S—N曲線借鑒GL規(guī)范中的S—N曲線擬合方法具有可行性和合理性，該方法也可為車輪輪輞疲勞[12]性能估算提供參考。參考GL規(guī)范中的S—N曲線擬合方法，得到車輪鋼材料S—N曲線如圖7所示。圖中：ND和σd分別為5×106壽命及對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度；σa為應(yīng)力幅值。

按照?qǐng)D7所示的擬合方法，在應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于107時(shí)，動(dòng)車組車輪S—N曲線可用式(7)描述，式(7)中不同溫度下車輪疲勞極限估算值見表2。

(7)

式中：σa為應(yīng)力幅值；N為σa對(duì)應(yīng)的疲勞壽命。

圖7 基于GL規(guī)范的車輪材料S—N曲線

4 結(jié) 語

本文開展了動(dòng)車組車輪疲勞性能估算方法研究，在借鑒經(jīng)典疲勞理論基礎(chǔ)上，結(jié)合小試樣直徑及表面粗糙度、小試樣疲勞性能測試數(shù)據(jù)、車輪輻板表面粗糙度、輻板受力特點(diǎn)和疲勞強(qiáng)度分布規(guī)律，分別提出了一種計(jì)算表面加工系數(shù)、尺寸系數(shù)公式；并以此為基礎(chǔ)提出了一種基于小試樣的車輪疲勞極限估算方法；同時(shí)，結(jié)合GL規(guī)范中S—N曲線擬合方法以及車輪疲勞極限估算值提出了一種車輪S—N曲線估算方法。

本文提出的車輪疲勞性能估算方法具有簡單、操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠估算高置信度、高存活率下車輪疲勞極限、S—N曲線，為獲取低溫條件以及其他特殊運(yùn)用環(huán)境下車輪疲勞性能提供了一種思路，可為低溫服役環(huán)境和特殊典型環(huán)境下車輪疲勞性能評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和方法支持。本方法期待在最小檢測成本前提下獲得接近實(shí)際的性能指標(biāo)，從而大幅降低研究周期，實(shí)現(xiàn)獲取低溫環(huán)境下車輪疲勞性能，并為科研和工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。