翁　飛　王生武

(大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連　116000)

?

壓裝工藝及熱處理工藝對(duì)微動(dòng)疲勞因素的影響

翁飛王生武

(大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連116000)

通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS數(shù)值模擬了輪對(duì)注油壓裝過(guò)程，對(duì)比分析了不同過(guò)盈量下以及不同熱處理工藝下的壓裝力，研究了不同過(guò)盈下，車軸經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面淬火處理后，在含有注油壓裝過(guò)程與無(wú)注油壓裝過(guò)程的接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力變化規(guī)律，得出了一些有意義的結(jié)論。

注油壓裝，過(guò)盈量，車轍，微動(dòng)疲勞

0　引言

接觸壓力不僅僅影響著磨損速率，還對(duì)微動(dòng)疲勞裂紋的萌生擴(kuò)展起到重要的作用。由Adibnazari和Hoeppner以及Nakazawa等的研究可知，對(duì)于鋁合金和鋼鐵材料而言，其微動(dòng)疲勞壽命隨著接觸壓力的增加而單調(diào)下降，但到達(dá)一定程度后卻變?yōu)槌Ｖ?，即接觸壓力存在門檻值的概念。同時(shí)，接觸壓力可以使構(gòu)件表面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，單就接觸壓力這一個(gè)因素也有可能在受壓區(qū)的邊界出現(xiàn)擴(kuò)展性裂紋。通過(guò)由Ruiz[2]判據(jù)(K參數(shù)法)公式可知，軸向正應(yīng)力是微動(dòng)疲勞裂紋萌生的必要條件。因此，研究接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力對(duì)輪軸微動(dòng)疲勞損傷的研究具有重要的意義。同時(shí)，本文的研究結(jié)果將對(duì)鐵路車輪輪軸壓裝過(guò)盈量及熱處理措施的選擇確定具有一定的指導(dǎo)意義。

1　有限元分析

如圖1所示建立了輪對(duì)壓裝有限元模型，由于形狀和加載的對(duì)稱性，只建立了1/4模型。實(shí)體車軸和車輪采用C3D8R單元類型，剛體壓頭采用R3D4單元類型。其輪對(duì)左右端部都進(jìn)行約20 mm的網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，其余配合面網(wǎng)格尺寸為4 mm，這樣整個(gè)輪對(duì)的網(wǎng)格就有237 182個(gè)單元，其有限元局部細(xì)化網(wǎng)格如圖2所示。本文分別將圖2四個(gè)網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域稱為左上區(qū)域、左下區(qū)域、右上區(qū)域、右下區(qū)域。

圖1　有限元網(wǎng)格劃分　　　　圖2　局部細(xì)化網(wǎng)格

研究發(fā)現(xiàn)，黃夢(mèng)妮[3]通過(guò)對(duì)真實(shí)輪對(duì)進(jìn)行軸向剖開使車輪與車軸分離，發(fā)現(xiàn)車軸內(nèi)側(cè)萌生疲勞微動(dòng)裂紋。同時(shí)，曾飛[4]、楊廣雪[5]、宋川[6]等人對(duì)輪軸進(jìn)行微動(dòng)損傷研究發(fā)現(xiàn)，輪軸外側(cè)損傷帶以磨損損傷為主，內(nèi)側(cè)損傷帶則以疲勞損傷為主。故本文重在對(duì)右上區(qū)域和右下區(qū)域的接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力進(jìn)行研究分析。

本文對(duì)輪對(duì)的加載和約束分為注油壓裝過(guò)程和彎曲載荷加載過(guò)程兩個(gè)部分：

1)注油壓裝過(guò)程：圖3的對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，車軸右端施加固定約束。當(dāng)油槽封閉之后施加注入170 MPa的高壓油[7]。

2)彎曲載荷加載過(guò)程：對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，根據(jù)TB/T 2395—93機(jī)車車軸設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算方法的規(guī)定，軸箱載荷取值為84.69 kN，受力模型如圖4所示。

圖3　壓裝幾何模型　　　　圖4　加載幾何模型

對(duì)于本文研究對(duì)象的材料屬性這樣規(guī)定：本文所要模擬的調(diào)質(zhì)車軸的彈性模量為2.07E5 MPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為610 MPa。而模擬的表面淬火有限元分析這樣設(shè)置：車軸輪座表層0 mm～0.5 mm厚度材質(zhì)彈性模量為調(diào)質(zhì)處理1.3倍，表層0.5 mm～1 mm處彈性模量為調(diào)質(zhì)處理1.13倍，泊松比為0.3。

2　注油壓裝過(guò)程的壓裝曲線對(duì)比

由圖5可知，車軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，隨著過(guò)盈量的增大其壓裝力也隨之增大。當(dāng)過(guò)盈量從0.26 mm增大到0.34 mm時(shí)，過(guò)盈量增加了30.8%，而最大壓裝力從66.4 t增加到85.2 t，增加了28.3%。

圖5　車軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后不同過(guò)盈量下壓裝曲線

圖6　過(guò)盈量0.30mm的壓裝曲線對(duì)比

圖6為過(guò)盈量為0.30 mm的壓裝曲線，發(fā)現(xiàn)其車軸經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面淬火后，壓裝曲線是重合的。同理可以驗(yàn)證過(guò)盈量0.26 mm，0.28 mm，0.34 mm的車軸調(diào)質(zhì)和表面淬火處理之后的壓裝曲線也是重合的。

3　彎曲載荷作用下表面改性對(duì)微動(dòng)疲勞因素的影響

接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力是微動(dòng)疲勞裂紋萌生的主要因素，因此，本節(jié)重在對(duì)比彎曲載荷作用下，不同過(guò)盈下的車軸經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面淬火處理后在含有注油壓裝過(guò)程與無(wú)注油壓裝過(guò)程的接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力的變化。無(wú)注油壓裝過(guò)程模型與含有注油壓裝過(guò)程模型唯一的區(qū)別在于無(wú)注油壓裝過(guò)程模型沒有注油壓裝過(guò)程，整個(gè)模型已經(jīng)裝配好了，直接進(jìn)行加載計(jì)算。

通過(guò)有限元分析可知，無(wú)論有無(wú)注油壓裝過(guò)程，車軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理還是表面淬火處理，其接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力均隨著過(guò)盈量的增大而增大。同時(shí)，右上區(qū)域和右下區(qū)域的接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力的變化趨勢(shì)一致，故圖7～圖10曲線只是過(guò)盈量為0.34 mm條件下右上區(qū)域的相關(guān)應(yīng)力。

圖7　無(wú)注油壓裝過(guò)程的接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力變化曲線

圖8　含有注油壓裝過(guò)程的接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力變化曲線

圖9　車軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力變化曲線

圖10　車軸經(jīng)表面淬火處理后的接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力變化曲線

由圖7～圖10可知，由于壓裝工藝以及熱處理工藝的不同，表現(xiàn)出了最大接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力也發(fā)生了變化，其詳細(xì)變化如表1和表2所示。

表1　不同壓裝工藝下車軸表面淬火相對(duì)于調(diào)質(zhì)處理的最大接觸應(yīng)力和最大軸向正應(yīng)力變化　%

表2　不同熱處理工藝下含壓裝過(guò)程相對(duì)于無(wú)壓裝過(guò)程的最大接觸應(yīng)力和最大軸向正應(yīng)力變化　%

4　結(jié)語(yǔ)

1)隨著過(guò)盈量的增大其壓裝力也隨之增大。無(wú)論車軸經(jīng)調(diào)質(zhì)還是表面淬火處理，同一過(guò)盈量下，壓裝曲線是重合的。

2)加載彎曲載荷后，由于表層硬化以及注油壓裝后殘余應(yīng)力的存在均使得最大接觸應(yīng)力和最大軸向正應(yīng)力有所增大，應(yīng)力集中略加明顯。同時(shí)，由于接觸應(yīng)力和軸向正應(yīng)力均隨著過(guò)盈量的增大而增大，因此，對(duì)于過(guò)盈量的選擇并不是越大，其傳遞扭矩越大就越好，還應(yīng)該要考慮微動(dòng)疲勞損傷的影響。

3)由于本文的車軸表面淬火只是對(duì)車軸表面進(jìn)行分層處理，賦予其不同分層階段不同彈性模量，而沒有更多的考慮實(shí)際車軸表面淬火后其表層的硬度、耐磨性、殘余應(yīng)力等一些物理及化學(xué)參數(shù)。因此，就軸向正應(yīng)力而言，表現(xiàn)出了表面淬火比調(diào)質(zhì)更易產(chǎn)生更大的應(yīng)力，可能對(duì)裂紋的萌生起到一定的促進(jìn)作用，但是，要想更加準(zhǔn)確的評(píng)估表面淬火與調(diào)質(zhì)處理車軸的微動(dòng)損傷疲勞還應(yīng)考慮到車軸的耐磨性、失重變化等因素。

[1]楊茂勝，陳躍良，郁大照，等.微動(dòng)疲勞研究的現(xiàn)狀與展望[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2008(35)：45-54.

[2]Ruiz C.An investigation of fatigue and fretting in a dovetail joint[J].Experimental Mechanics,1984(24):208-217.

[3]黃夢(mèng)妮.RD2型車軸過(guò)盈配合損傷分析研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[4]曾飛.列車輪對(duì)彎曲載荷作用過(guò)盈配合面微動(dòng)行為研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[5]楊廣雪.高速列車車軸旋轉(zhuǎn)彎曲作用微動(dòng)疲勞損傷研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[6]宋川.軸類部件旋轉(zhuǎn)彎曲微動(dòng)疲勞損傷分析及試驗(yàn)?zāi)M[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[7]王亮.輪軸壓裝工藝過(guò)程及其對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的數(shù)值分析[D].大連：大連交通大學(xué)，2014.

On influence of pressing craft and heat treatment on fretting fatigue factors

Weng FeiWang Shengwu

(CollegeofCivilandSafetyEngineering,DalianJiaotongUniversity,Dalian116000,China)

According to the finite element software ABAQUS, the paper undertakes the simulation of the pressing process of the oil-injecting, has the comparative analysis of the pressing stress under the various magnitudes of interference and heat treatments, researches the contact stress in the pressing process with the oil-interjection and the pressing process without the oil-interjection after the tempering and surface hardening treatment with various interference magnitudes as well as the law for the axial direction positive stress changes, and has some valuable conclusion.

oil-interjection pressing, magnitude of interference, rut, fretting fatigue

1009-6825(2016)21-0139-02

2016-05-12

翁飛(1990- )，男，在讀碩士；王生武，男，博士生導(dǎo)師，教授

U416.2

A