壓裝工藝及熱處理工藝對微動疲勞因素的影響

翁　飛　王生武

(大連交通大學土木與安全工程學院，遼寧 大連　116000)

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壓裝工藝及熱處理工藝對微動疲勞因素的影響

翁飛王生武

(大連交通大學土木與安全工程學院，遼寧 大連116000)

通過有限元分析軟件ABAQUS數值模擬了輪對注油壓裝過程，對比分析了不同過盈量下以及不同熱處理工藝下的壓裝力，研究了不同過盈下，車軸經調質和表面淬火處理后，在含有注油壓裝過程與無注油壓裝過程的接觸應力和軸向正應力變化規律，得出了一些有意義的結論。

注油壓裝，過盈量，車轍，微動疲勞

0　引言

接觸壓力不僅僅影響著磨損速率，還對微動疲勞裂紋的萌生擴展起到重要的作用。由Adibnazari和Hoeppner以及Nakazawa等的研究可知，對于鋁合金和鋼鐵材料而言，其微動疲勞壽命隨著接觸壓力的增加而單調下降，但到達一定程度后卻變為常值，即接觸壓力存在門檻值的概念。同時，接觸壓力可以使構件表面產生剪切應力，單就接觸壓力這一個因素也有可能在受壓區的邊界出現擴展性裂紋。通過由Ruiz[2]判據(K參數法)公式可知，軸向正應力是微動疲勞裂紋萌生的必要條件。因此，研究接觸應力和軸向正應力對輪軸微動疲勞損傷的研究具有重要的意義。同時，本文的研究結果將對鐵路車輪輪軸壓裝過盈量及熱處理措施的選擇確定具有一定的指導意義。

1　有限元分析

如圖1所示建立了輪對壓裝有限元模型，由于形狀和加載的對稱性，只建立了1/4模型。實體車軸和車輪采用C3D8R單元類型，剛體壓頭采用R3D4單元類型。其輪對左右端部都進行約20 mm的網格細化，細化網格尺寸為0.5 mm，其余配合面網格尺寸為4 mm，這樣整個輪對的網格就有237 182個單元，其有限元局部細化網格如圖2所示。本文分別將圖2四個網格細化區域稱為左上區域、左下區域、右上區域、右下區域。

圖1　有限元網格劃分　　　　圖2　局部細化網格

研究發現，黃夢妮[3]通過對真實輪對進行軸向剖開使車輪與車軸分離，發現車軸內側萌生疲勞微動裂紋。同時，曾飛[4]、楊廣雪[5]、宋川[6]等人對輪軸進行微動損傷研究發現，輪軸外側損傷帶以磨損損傷為主，內側損傷帶則以疲勞損傷為主。故本文重在對右上區域和右下區域的接觸應力和軸向正應力進行研究分析。

本文對輪對的加載和約束分為注油壓裝過程和彎曲載荷加載過程兩個部分：

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

2)彎曲載荷加載過程：對稱面施加對稱約束，根據TB/T 2395—93機車車軸設計與強度計算方法的規定，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

對于本文研究對象的材料屬性這樣規定：本文所要模擬的調質車軸的彈性模量為2.07E5 MPa，泊松比為0.3，抗拉強度為610 MPa。而模擬的表面淬火有限元分析這樣設置：車軸輪座表層0 mm～0.5 mm厚度材質彈性模量為調質處理1.3倍，表層0.5 mm～1 mm處彈性模量為調質處理1.13倍，泊松比為0.3。

2　注油壓裝過程的壓裝曲線對比

由圖5可知，車軸經調質處理后，隨著過盈量的增大其壓裝力也隨之增大。當過盈量從0.26 mm增大到0.34 mm時，過盈量增加了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　車軸經調質處理后不同過盈量下壓裝曲線

圖6　過盈量0.30mm的壓裝曲線對比

圖6為過盈量為0.30 mm的壓裝曲線，發現其車軸經調質和表面淬火后，壓裝曲線是重合的。同理可以驗證過盈量0.26 mm，0.28 mm，0.34 mm的車軸調質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微動疲勞因素的影響

接觸應力和軸向正應力是微動疲勞裂紋萌生的主要因素，因此，本節重在對比彎曲載荷作用下，不同過盈下的車軸經調質和表面淬火處理后在含有注油壓裝過程與無注油壓裝過程的接觸應力和軸向正應力的變化。無注油壓裝過程模型與含有注油壓裝過程模型唯一的區別在于無注油壓裝過程模型沒有注油壓裝過程，整個模型已經裝配好了，直接進行加載計算。

通過有限元分析可知，無論有無注油壓裝過程，車軸經調質處理還是表面淬火處理，其接觸應力和軸向正應力均隨著過盈量的增大而增大。同時，右上區域和右下區域的接觸應力和軸向正應力的變化趨勢一致，故圖7～圖10曲線只是過盈量為0.34 mm條件下右上區域的相關應力。

圖7　無注油壓裝過程的接觸應力和軸向正應力變化曲線

圖8　含有注油壓裝過程的接觸應力和軸向正應力變化曲線

圖9　車軸經調質處理后的接觸應力和軸向正應力變化曲線

圖10　車軸經表面淬火處理后的接觸應力和軸向正應力變化曲線

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

表1　不同壓裝工藝下車軸表面淬火相對于調質處理的最大接觸應力和最大軸向正應力變化　%

表2　不同熱處理工藝下含壓裝過程相對于無壓裝過程的最大接觸應力和最大軸向正應力變化　%

4　結語

1)隨著過盈量的增大其壓裝力也隨之增大。無論車軸經調質還是表面淬火處理，同一過盈量下，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力的存在均使得最大接觸應力和最大軸向正應力有所增大，應力集中略加明顯。同時，由于接觸應力和軸向正應力均隨著過盈量的增大而增大，因此，對于過盈量的選擇并不是越大，其傳遞扭矩越大就越好，還應該要考慮微動疲勞損傷的影響。

3)由于本文的車軸表面淬火只是對車軸表面進行分層處理，賦予其不同分層階段不同彈性模量，而沒有更多的考慮實際車軸表面淬火后其表層的硬度、耐磨性、殘余應力等一些物理及化學參數。因此，就軸向正應力而言，表現出了表面淬火比調質更易產生更大的應力，可能對裂紋的萌生起到一定的促進作用，但是，要想更加準確的評估表面淬火與調質處理車軸的微動損傷疲勞還應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.微動疲勞研究的現狀與展望[J].強度與環境，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]黃夢妮.RD2型車軸過盈配合損傷分析研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[4]曾飛.列車輪對彎曲載荷作用過盈配合面微動行為研究[D].成都：西南交通大學，2012.

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

[6]宋川.軸類部件旋轉彎曲微動疲勞損傷分析及試驗模擬[D].成都：西南交通大學，2013.

[7]王亮.輪軸壓裝工藝過程及其對疲勞強度影響的數值分析[D].大連：大連交通大學，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，博士生導師，教授

U416.2

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