摘要：开展了EA4T合金钢材料的低周疲劳试验、旋转弯曲高周疲劳试验与裂纹扩展速率试验,考虑载荷类型、表面质量与尺寸系数等因素,修正了标准小试样疲劳极限以预测全尺寸车轴的疲劳性能;建立了轴箱内置铁路车轴(内箱车轴)的有限元模型,分析了内箱车轴与传统轴箱外置铁路车轴(外箱车轴)临界安全部位的差异;基于安全寿命设计理论,结合修正的线性Miner疲劳累积损伤准则和载荷谱,研究了内箱车轴的疲劳强度与服役性能;分别采用Paris公式、NASGRO方程和LAPS模型拟合了裂纹扩展速率曲线,基于损伤容限设计方法估算了内箱车轴和外箱车轴的裂纹扩展寿命。研究结果表明:标准小试样的疲劳极限明显高于全尺寸车轴,其疲劳极限均值分别为369、286 MPa;与传统外箱车轴相比,由于加载位置的改变,内箱车轴的临界安全部位从卸荷槽处转移至轴身中部;内箱车轴疲劳总寿命为2.5×1012 km,满足30年服役寿命的设计要求;但是在运输或服役过程中车轴表面不可避免会存在缺陷,缺陷处存在严重的应力集中,为裂纹的萌生和扩展提供了便利条件,使车轴疲劳寿命大幅降低;当车轴临界安全部位的裂纹深度扩展到5 mm时,内箱车轴和外箱车轴的剩余寿命分别仅为3.2×105、2.0×105 km,应根据无损探伤精度合理制定无损检测周期,确保车轴安全服役。
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