疲勞載荷周次對鐵路車軸微動損傷的影響

史玉杰，楊凱，陳一萍，劉為亞，李亞波，石廣寒，魯連濤

疲勞載荷周次對鐵路車軸微動損傷的影響

史玉杰1，楊凱1，陳一萍1，劉為亞1，李亞波1，石廣寒2，魯連濤2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 工程實驗室，山東 青島 266111；2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

對比例車軸進行了微動疲勞試驗，試驗后對車軸輪座微動損傷進行了觀察，并測量了車軸和車輪的微動磨損輪廓。此后，在考慮微動磨損的情況下，仿真研究了疲勞載荷周次對鐵路車軸微動疲勞的影響。研究發(fā)現(xiàn)：車軸微動損傷區(qū)寬度幾乎不受疲勞載荷周次的影響，而輪座邊緣微動損傷隨載荷周次增加而增加。低載荷周次和高載荷周次時，車軸微動區(qū)氧化物分別以黑色和紅褐色為主。車軸、車輪的磨損寬度和深度隨載荷周次增加而增加，這使得車軸輪座真實應力增加，最終導致車軸在較低的應力水平下萌生微動裂紋。車軸微動疲勞強度隨載荷周次增加而降低，采用107周次疲勞試驗獲得的微動疲勞強度指導車軸設計偏于危險。

鐵路車軸；載荷周次；微動磨損；微動疲勞

鐵路車軸是轉向架的關鍵承載部件，經過盈配合方式與車輪連接，幾乎承載著列車運行時全部的重量[1-3]。在旋轉彎曲載荷作用下，輪軸過盈配合邊緣會發(fā)生周期性的往復運動，即微動。微動會引發(fā)微動損傷，極大地縮短結構的服役壽命[4]。

當前，鐵路車軸是在EN 13103[5]、EN 13104[6]和JIS E4501[7]等設計標準的指導下，基于材料疲勞極限的無限壽命設計。首先，設計人員將車軸簡化為梁，計算最危險工況下車軸輪座承受的力矩；然后，確定合理的截面尺寸，保證輪座最大名義彎曲應力小于其許用應力。實際上，設計標準給出的車軸輪座疲勞極限遠大于車軸服役時承受的載荷。Hirakawa等[1,8]指出，車軸輪座最大名義彎曲應力約50 MPa，其安全系數(shù)大于2.2。雖然車軸具有很大的安全裕度，但是車軸微動疲勞失效仍頻頻發(fā)生。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，過盈配合部位的微動疲勞破壞占車軸疲勞破壞的90%以上[9]。2008－2010年，DF21型米軌機車在返廠進行輪對檢修時發(fā)現(xiàn)輪座內側普遍存在微動裂紋，此后運營部門對車軸材料進行了更換，并優(yōu)化了車軸結構[10]。2016年，我國對運營300,000 km后的某機車車軸進行磁粉探傷，在超過600根車軸輪座部位探測到微動裂紋[11]。上述案例說明：車軸微動疲勞會造成巨大的經濟損失，而當前的車軸設計標準不足以保證輪座的服役安全。

對于鐵路車軸輪座，設計標準將對應107周次輪座不萌生微動裂紋的名義應力定義為疲勞極限，并將該應力應用于車軸設計。實際上，鐵路車軸的使用壽命約為109循環(huán)周次，對應車軸服役25～30年。顯然，車軸試驗的疲勞載荷周次遠低于車軸的服役要求。Makino 等[12]采用全尺寸車軸進行疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)車軸輪座微動裂紋在107周次后仍會萌生。這也即是說，車軸輪座微動疲勞會受到載荷周次影響。如果車軸微動疲勞極限隨載荷周次的增加而減小，那么實際車軸的安全系數(shù)會小于設計時的安全系數(shù)，這可能使原本安全的車軸出現(xiàn)微動裂紋。盡管如此，鮮少有學者研究載荷周次對鐵路車軸微動疲勞的影響。

為了保障鐵路車軸的安全運營，有必要研究載荷周次對車軸微動疲勞的影響。為此，本文采用1:4比例車軸，在相同應力下進行不同周次的疲勞試驗。試驗后，對車軸輪座微動損傷進行觀察，并測量車軸和車輪微動磨損輪廓。此后，基于測量的磨損輪廓建立有限元模型，仿真研究不同疲勞載荷周次對鐵路車軸微動損傷的影響。

1 微動疲勞試驗

1.1 試樣與材料

鐵路車軸微動疲勞試驗一般采用全尺寸車軸，在“Minden”型或“Vitry”型輪軸疲勞試驗臺上進行[12-14]。但全尺寸車軸疲勞試驗經濟成本高、操作困難，試驗目的多為強度校核，難以用于科學研究，因此，本文選擇1:4比例車軸試樣進行微動疲勞試驗，試樣的形狀尺寸如圖1所示。車軸輪座和軸身直徑分別為50 mm和43.2 mm，裝配凸懸量為1 mm。裝配過盈量為0.065 mm，為車軸輪座直徑的1.3‰，滿足TB/T 1463－2015[15]對輪軸組裝過盈量的要求。車軸輪座和軸身間采用兩段圓弧進行過渡，圓弧半徑分別為19.6 mm和3.9 mm。比例車軸和車輪材料分別為EA4T車軸鋼和ER8車輪鋼，材料力學性能參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗過程

比例車軸微動疲勞試驗在懸臂梁式旋轉彎曲疲勞試驗機上進行。試驗機原理圖及試樣安裝如圖2所示。試驗時，試樣轉速為1500 r/min，對應列車運行速率為260 km/h。為了研究載荷周次對鐵路車軸微動損傷的影響，試驗首先獲得車軸對應107時的微動疲勞強度，然后選擇低于微動疲勞強度的應力進行不同周次的疲勞試驗，研究加載周次變化對車軸微動疲勞性能的影響。本文設置兩種不同試驗周次，分別是107和5×107。

圖1 比例車軸試樣

表1 車軸與車輪材料力學參數(shù)[16]

圖2 微動疲勞試驗機

2 試驗結果

2.1 微動疲勞試驗結果

圖3是比例車軸微動疲勞試驗結果，圖中試驗最大循環(huán)周次為107。為了便于分析，本文中疲勞應力均是指輪座邊緣名義彎曲應力。由圖可知，對應107疲勞周次，比例車軸輪座微動疲勞強度的均值為175 MPa。

圖3 微動疲勞試驗結果

為了研究疲勞載荷周次的影響，本文選擇疲勞應力為160 MPa的應力水平進行不同載荷周次的微動疲勞試驗，試驗條件及試驗數(shù)據(jù)列于表2。由表可知，隨載荷周次的增加，車軸在低于微動疲勞強度的應力水平下仍會萌生微動裂紋。這說明車軸的微動疲勞強度會隨著載荷周次的增加而降低。

表2 疲勞載荷周次對微動疲勞的影響

2.2 車軸輪座微動損傷

以往的研究表明，車軸微動損傷包括微動磨損和微動疲勞兩部分[17-18]，本節(jié)將對這兩部分進行研究。當車軸承受循環(huán)彎曲載荷作用，輪軸配合面必然存在微動磨損[19]。隨著載荷周次的增加，微動磨損會持續(xù)存在，致使車軸輪座出現(xiàn)更嚴重的損傷，這可能是車軸在較低應力下仍會萌生微動裂紋的主要原因。為了對此進行研究，本節(jié)對試驗后車軸輪座進行觀察分析。

圖4所示為不同疲勞載荷周次下，車軸輪座微動損傷宏觀形貌。車軸輪座靠近軸身側存在沿周向的微動損傷區(qū)，損傷區(qū)內附著有黑色和紅褐色氧化物。在160 MPa疲勞應力作用下，107周次車軸微動損傷區(qū)寬度約為13 mm，5×107周次車軸微動損傷區(qū)寬度約為13.5 mm。由此可見，載荷周次對車軸微動損傷區(qū)寬度幾乎沒有影響。

圖4 車軸輪座微動損傷宏觀形貌

Zou等[16]指出，車軸輪座邊緣的微動損傷最嚴重，直接影響車軸微動疲勞。因此，本文采用激光共聚焦顯微鏡（OLYMPUS OLS4100）對車軸輪座邊緣進行觀察。圖4中A和B方框的局部放大圖如圖5所示。由圖可知，疲勞載荷周次會明顯影響車軸輪座邊緣的微動損傷。載荷周次為107時，輪座表面主要附著黑色氧化物，同時伴有少量紅褐色氧化物，無微動裂紋；載荷周次為5×107時，輪座表面主要附著紅褐色氧化物，僅存在少量黑色氧化物，距輪座邊緣0.65 mm位置出現(xiàn)沿周向的微動裂紋。袁才欽等[20]對全尺寸車軸微動損傷區(qū)進行了觀察，根據(jù)微動區(qū)損傷形貌特征將其細分為三個區(qū)。圖5中微動損傷區(qū)同樣可以細分為三個區(qū)，其中I區(qū)位于輪座邊緣，該區(qū)較窄，表面幾乎沒有氧化物附著。隨著向微動區(qū)內部移動，氧化物堆積嚴重，該區(qū)為II區(qū)。低周次時，II區(qū)以黑色氧化物為主；高周次時，II區(qū)以紅褐色氧化物為主。袁才欽等指出，黑色氧化物為FeO，而紅褐色氧化物為Fe2O3。由圖5可知，隨著載荷周次增加，微動磨損嚴重，氧化時間更長，這導致高周次的氧化現(xiàn)象更明顯。III區(qū)的損傷較輕微，低周次時損傷區(qū)可見周向磨痕，附著少量黑色氧化物；高周次時損傷區(qū)隱約可見周向磨痕，附著紅褐色氧化物。由于顯微鏡限制，難以對車軸損傷區(qū)進行完整采樣。實際上，III區(qū)的左邊界即是圖4中損傷區(qū)的左邊界。對各區(qū)的寬度進行統(tǒng)計，列于表3。由表可知，隨著載荷周次增加，車軸輪座邊緣的I區(qū)和II區(qū)會明顯變寬，而III區(qū)寬度幾乎不變，這說明疲勞載荷周次主要影響車軸輪座邊緣的損傷。

圖5 車軸輪座邊緣微動損傷觀察

表3 微動損傷區(qū)各區(qū)寬度

對圖5中的裂紋進行剖面觀察，如圖6所示。由圖可見，裂紋萌生位置距輪座邊緣0.65 mm，恰好位于I區(qū)與II區(qū)的邊界位置。由于車軸微動區(qū)承受著以軸向彎曲應力和剪應力為主的多軸應力作用，因此微動裂紋與車軸徑向成一定角度。本文中，該角度為39°，這與Zou等[16]在實際車軸中觀察到的微動裂紋角度基本一致。

根據(jù)前面車軸表面宏觀觀察，可以看到不同載荷周次下車軸表面微動磨損損傷程度不同。為了更加直觀的分析疲勞載荷周次對輪軸微動磨損的影響，本文采用CLSM對車軸和車輪損傷區(qū)微動磨損輪廓進行了測量。首先，采用CLSM掃描獲得車軸和車輪損傷區(qū)形貌；然后，沿車軸和車輪軸向獲得不同軸向位置的坐標。對數(shù)據(jù)進行整理，即得到了試驗后輪軸磨損輪廓，如圖7所示。

由圖可知，車軸和車輪的最大磨損深度幾乎都位于輪座邊緣。當疲勞載荷周次由107增加至5×107時，車軸和車輪的磨損深度和寬度都增加。微動裂紋萌生于車軸輪座磨損/未磨損邊界附近。

圖6 疲勞載荷周次為5×107時微動裂紋剖面圖

圖7 不同疲勞載荷周次下輪軸微動磨損輪廓

3 有限元仿真

3.1 有限元模型

輪軸間微動磨損改變了微動區(qū)配合面形貌，這會影響微動區(qū)應力分布。根據(jù)圖7可知，隨著疲勞載荷周次增加，微動磨損更加嚴重。因此，本文采用有限元軟件ABAQUS，在考慮微動磨損導致輪廓變化的基礎上，仿真研究載荷周次對車軸微動疲勞的影響。圖8所示是基于圖1車軸試樣建立的有限元模型，模型包括車輪與車軸兩部分，車軸輪座邊緣采用精細網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.02 mm。輪軸過盈配合采用接觸對形式建立，仿真時將車輪輪轂孔表面設置為主面，車軸輪座面設置為從面。輪軸間切向行為遵循庫倫摩擦定律，摩擦系數(shù)設為0.6[13]。仿真采用線性隨動硬化模型，EA4T車軸鋼和ER8車輪鋼的循環(huán)屈服應力分別為552 MPa和584 MPa，硬化模量分別為5.4 GPa和8.0 GPa[16]。

圖8 有限元模型

根據(jù)圖2（b）車軸的安裝及加載情況對有限元模型施加約束及載荷。仿真時，在第1個分析步實現(xiàn)輪軸過盈配合，過盈量2＝0.065 mm。第2個分析步，在參考點施加沿軸的集中力（F＝0）。自第3個分析步起，分別將兩個隨計算時間成三角函數(shù)變化的載荷施加到參考點。通過載荷繞軸轉的方式，模擬車軸承受的旋轉彎曲載荷。

3.2 仿真結果

3.2.1 微動參量

鐵路車軸的微動損傷受到微動區(qū)滑移幅值和接觸壓應力等微動參量的影響。不同載荷周次下微動磨損損傷不同，微動參量的分布必然也存在區(qū)別。因此，本節(jié)將對車軸的滑移幅值和接觸壓應力進行研究。由于車軸在受到拉應力時更容易發(fā)生微動損傷，因此本文中的微動參量及應力均取自車軸受拉側。

圖9所示為相同載荷下，未磨損，107和5×107載荷周次下車軸輪座滑移幅值分布。車軸在大載荷作用下，輪軸過盈配合會發(fā)生分離，出現(xiàn)張開區(qū)。張開區(qū)內的滑移幅值沒有意義，因此不對其進行討論。如圖所示，三種情況下車軸滑移區(qū)寬度基本一致，輪座邊緣的滑移幅值有細微差別。輪軸間的滑移引發(fā)微動損傷，滑移區(qū)寬度一致說明載荷周次的多少不會影響車軸損傷區(qū)寬度，這與圖4中的試驗現(xiàn)象吻合。

圖10所示為相同載荷下，未磨損，107和5×107載荷周次下車軸輪座接觸壓應力分布。由圖可知，在160 MPa疲勞應力作用下，車軸輪座邊緣初始便出現(xiàn)了張開區(qū)。在疲勞載荷持續(xù)作用下，車軸輪座邊緣的微動磨損導致磨損形貌發(fā)生變化，張開區(qū)變寬，在張開區(qū)邊緣出現(xiàn)接觸壓應力峰值。隨載荷周次由107增加至 5×107，張開區(qū)隨磨損區(qū)變寬而變寬，接觸壓應力峰值向接觸區(qū)內部移動，峰值隨之增加。上述現(xiàn)象說明，微動磨損會影響車軸輪座邊緣的應力分布。

3.2.2 von Mises應力

圖11所示為相同載荷下，未磨損，107和5×107載荷周次下車軸輪座von Mises應力分布。由圖可知，不考慮微動磨損導致的輪廓變化時，應力集中出現(xiàn)在輪座邊緣附近?？紤]微動磨損后，應力集中向車軸輪座內部移動。隨著載荷周次由107增加至5×107時，應力集中位置轉移至距輪座邊緣0.75 mm的微動區(qū)內部，這一位置與裂紋萌生位置較為吻合。隨載荷周次增加，von Mises應力的峰值也隨之增加。顯然，隨著載荷周次增加，微動磨損損傷變得更加嚴重，使得應力集中位置向內部移動，應力集中程度加劇。

圖9 滑移幅值分布

圖10 接觸壓應力分布

3.2.3 F-S微動損傷參數(shù)

圖6所示裂紋萌生時與車軸徑向成一定角度，這是典型多軸應力作用下的裂紋萌生。Pourheidar等[21]指出車軸微動裂紋萌生主要受剪應力控制，為II型裂紋。因此，本文采用Fatemi和Socie[22]提出F-S多軸疲勞準則對車軸微動裂紋萌生進行預測。F-S多軸疲勞準則認為疲勞損傷由最大剪應變幅值Δ和最大法向應力σ,max共同決定，具體表達式為：

F-S損傷參數(shù)越大，微動損傷越嚴重。

圖12為相同載荷下，未磨損、107和5×107載荷周次下車軸輪座F-S微動損傷參數(shù)分布。

由圖可以看出，對于未磨損的車軸，F(xiàn)-S參數(shù)的最大值出現(xiàn)在輪座邊緣，這一現(xiàn)象與圖6所示試驗結果相悖。當考慮微動磨損后，F(xiàn)-S參數(shù)向車軸輪座內部移動，F(xiàn)-S參數(shù)值變大。隨著載荷周次由107增加至5×107，磨損變得更嚴重，磨損寬度也增加。F-S微動損傷參數(shù)繼續(xù)向內部移動，損傷參數(shù)值繼續(xù)增加?？梢钥吹?，在5×107載荷周次時，F(xiàn)-S微動損傷參數(shù)最大值的位置（0.75 mm）與裂紋萌生位置（0.65 mm）較為吻合。

綜合上述分析可知，在相同應力水平下，車軸輪座微動磨損損傷隨載荷周次的增加而增加，由磨損導致的幾何不連續(xù)引發(fā)的應力集中也增加，這使得微動區(qū)真實應力持續(xù)增加。在這種情況下，即使107周次時車軸不萌生微動裂紋，隨著載荷周次增加車軸輪座也可能萌生裂紋。也即是說，車軸的微動疲勞強度會隨著載荷周次增加而減小，采用107周次試驗獲得的微動疲勞強度指導車軸設計偏于危險。

圖11 von Mises應力分布

圖12 F-S微動損傷參數(shù)分布

4 結論

本文采用比例車軸進行微動疲勞試驗，試驗后對車軸輪座微動損傷進行觀察，并測量了車軸和車輪的微動磨損輪廓。此后，在考慮微動磨損的情況下，仿真研究了載荷周次對鐵路車軸微動疲勞的影響。得到如下結論：

（1）隨著疲勞載荷周次的增加，車軸微動損傷區(qū)寬度幾乎不變，而輪座邊緣的微動損傷增加。低載荷周次時，車軸輪座表面氧化物以黑色為主；高載荷周次時，車軸輪座表面氧化物以紅褐色為主。

（2）車軸微動磨損寬度和深度隨著疲勞載荷周次的增加而增加，應力集中程度也隨之增加。這使得車軸輪座受到的真實應力增加，最終導致車軸在較低疲勞應力下萌生微動疲勞裂紋。

（3）車軸微動疲勞強度隨載荷周次增加而減小，采用107周次疲勞試驗獲得的微動疲勞強度指導車軸設計偏于危險。

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Effect of Fatigue Load Cycle on the Fretting Damage of Railway Axle

SHI Yujie1，YANG Kai1，CHEN Yiping1，LIU Weiya1，LI Yabo1，SHI Guanghan2，LU Liantao2

(1.Engineering Laboratory, CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China;2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In this paper, fretting fatigue tests were carried out on the scaled railway axles. After the fatigue tests, the fretting damage of the wheel seat was observed, and the wear profiles of the axle and wheel were measured. Then, the fretting wear was considered in the FE simulation, and the effect of fatigue load cycles on the fretting fatigue of railway axles was investigated. This paper found that the fretted zone width was hardly affected by the load cycle, while the fretting damage of the wheel seat increased with the increase of the load cycle. For low-load cycles and high-load cycles, the surface oxides of the wheel seat were mainly black and reddish brown, respectively. The wear width and depth of the axle and wheel increased with the increase of load cycle, which increased the actual stress of the wheel seat, and finally leaded to fretting crack initiation of the axle under a lower stress level. The fretting fatigue strength of the railway axle decreased with an increase of the load cycle. The fretting fatigue strength obtained by the fatigue test of 107cycles was dangerous for the railway axle design.

railway axle；load cycle；fretting wear；fretting fatigue

TU973+.254

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.01.007

1006-0316 (2022) 01-0045-08

2021-05-25

國家自然科學基金（51375406）；牽引動力國家重點實驗室自主研究課題重點項目（2018TPL_Z01）

史玉杰（1981－），男，山東青島人，高級工程師，主要研究方向為車軸疲勞與斷裂，E-mail：shiyujie@cqsf.com。