本發(fā)明涉及機(jī)械工程領(lǐng)域，特別涉及一種考慮表面殘余應(yīng)力的鐵路車軸臨界載荷計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、中國(guó)高鐵發(fā)展迅速，取得了令人矚目的成就。隨著列車運(yùn)行速度的提高，車軸表面易遭受因空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)卷起的道砟、冰渣等異物擊打，造成異物致?lián)p現(xiàn)象，破壞其結(jié)構(gòu)完整性，使得材料內(nèi)部暴露于服役環(huán)境中。此外，我國(guó)幅員遼闊，氣候環(huán)境復(fù)雜，對(duì)車輛各部件在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性有更高的要求。車軸在交變載荷、表面損傷以及腐蝕環(huán)境耦合作用下，服役壽命極大降低，嚴(yán)重威脅列車運(yùn)行安全。在車軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造及服役的過(guò)程中，殘余應(yīng)力是影響其服役行為及壽命周期的重要因素。殘余拉應(yīng)力通過(guò)與外加載荷的疊加增大車軸局部受力，促進(jìn)裂紋萌生，降低疲勞性能。殘余壓應(yīng)力能夠抵消部分外載的作用力，在一定程度上抑制裂紋萌生和擴(kuò)展，從而提高疲勞性能。因此，有必要對(duì)異物沖擊和滾壓強(qiáng)化雙重作用下缺口處的殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行深入的研究探討，從而準(zhǔn)確的掌握兩種機(jī)制影響下車軸的臨界載荷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的一項(xiàng)或多項(xiàng)不足，提供一種考慮表面殘余應(yīng)力的鐵路車軸臨界載荷計(jì)算方法。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

3、一種考慮表面殘余應(yīng)力的鐵路車軸臨界載荷計(jì)算方法，所述計(jì)算方法為對(duì)缺陷處應(yīng)力強(qiáng)度因子的分析，具體步驟為：

4、步驟s1.通過(guò)考慮滾壓和異物沖擊雙重作用下對(duì)鐵路車軸所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)其表面缺陷(根據(jù)murakami提出的理論，該缺陷以等效為加載方向具有相同投影面積的半橢圓形表面裂紋)處應(yīng)力強(qiáng)度因子分析并進(jìn)行修正，從而得到修正的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值δkeff；

5、步驟s2.將該修正的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值δkeff與缺陷擴(kuò)展門檻值δkth進(jìn)行比較，當(dāng)δkeff＝δkth時(shí)，所加載的載荷即為臨界載荷；

6、在所述步驟s1中，對(duì)缺陷處應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行分析中，所述應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值δkeff(effectiveδk)計(jì)算公式為：

7、δkeff＝keff,max-keff，min；

8、其中keff,max，keff,min分別為：

9、keff,max＝kmax+kr；

10、keff,min＝kmin+kr；

11、其中，kmax與kmin為載荷所施加的應(yīng)力強(qiáng)度因子的最大值和最小值，kr為殘余應(yīng)力場(chǎng)所產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子；

12、在所述步驟s2中，所述缺陷擴(kuò)展門檻值δkth計(jì)算公式為：

13、

14、其中，α＝0.226+hv×10-4，r為缺陷處真實(shí)應(yīng)力比，hv為強(qiáng)化層的硬度值；通過(guò)δkeff與δkth之間的大小，得到不同缺陷尺寸下鐵路車軸的臨界加載載荷值，即臨界載荷。

15、進(jìn)一步的，在所述步驟s1中，在缺陷處存在殘余壓應(yīng)力，那么kr在數(shù)值上就可能會(huì)是負(fù)值，因此kr存在兩種情況：

16、1)當(dāng)：

17、

18、此時(shí)：

19、δkeff＝(kmax+kr)-(kmin+kr)＝kmax-kmin＝δk；

20、2)當(dāng)：

21、

22、此時(shí)：

23、δkeff＝(kmax+kr)-(kmin+kr)＝kmax+kr-0＝kmax+kr；

24、其中，reff為有效應(yīng)力比。

25、進(jìn)一步的，在所述步驟s1中，所述kr計(jì)算方式為：

26、

27、其中，σres(x)為缺陷處應(yīng)力分布函數(shù)，m(x,a)為權(quán)函數(shù)，a為裂紋最深點(diǎn)a點(diǎn)的縱坐標(biāo)；

28、進(jìn)一步的，由于滾壓過(guò)程增加了試樣表面的粗糙度，這種表面粗糙度在一定程度上可認(rèn)為是微小的凹坑，這些凹坑將在試樣表面造成應(yīng)力集中，增加了試樣所承受的應(yīng)力強(qiáng)度因子值，在步驟s1中，采用下式對(duì)受到的載荷產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行修正，并對(duì)kmax和kmin進(jìn)行計(jì)算：

29、

30、其中，kt為表面粗糙度引起的應(yīng)力集中系數(shù)，σ為光滑試樣疲勞極限。

31、其中，

32、

33、rtm為平均峰谷高度，sm為相鄰峰間距。

34、本發(fā)明的有益效果是：

35、(1)分析了缺陷處應(yīng)力強(qiáng)度因子和缺陷擴(kuò)展門檻值從而探究車軸在滾壓強(qiáng)化和異物沖擊雙重作用下腐蝕環(huán)境中的臨界加載載荷；

36、(2)通過(guò)在強(qiáng)化處理的構(gòu)件表面一定深度引入殘余應(yīng)力場(chǎng)，有助于提高構(gòu)件的腐蝕疲勞性能，使得表面缺陷存在一個(gè)臨界非擴(kuò)展尺寸，即小于該尺寸的缺陷能夠具有與光滑試樣相同的疲勞極限值；

37、(3)通過(guò)計(jì)算并合理利用和控制表面殘余應(yīng)力可以有效提升鐵路車軸和橋梁的臨界載荷，為確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃蕴峁?shù)據(jù)支持。

技術(shù)特征：

1.一種考慮表面殘余應(yīng)力的鐵路車軸臨界載荷計(jì)算方法，其特征在于，所述計(jì)算方法為對(duì)缺陷處應(yīng)力強(qiáng)度因子的分析，具體步驟為：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮表面殘余應(yīng)力的鐵路車軸臨界載荷計(jì)算方法，其特征在于，在所述步驟s1中，kr存在兩種情況：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮表面殘余應(yīng)力的鐵路車軸臨界載荷計(jì)算方法，其特征在于，在所述步驟s1中，所述kr計(jì)算方式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮表面殘余應(yīng)力的鐵路車軸臨界載荷計(jì)算方法，其特征在于，在所述步驟s1中，采用下式對(duì)受到的載荷產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行修正，并進(jìn)行kmax和kmin的計(jì)算：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種考慮表面殘余應(yīng)力的鐵路車軸臨界載荷計(jì)算方法，涉及機(jī)械工程領(lǐng)域。步驟包括：通過(guò)考慮滾壓和異物沖擊雙重作用下對(duì)鐵路車軸所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)其表面缺陷處應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行修正，從而得到修正的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK<subgt;eff</subgt;；將該修正的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值與缺陷擴(kuò)展門檻值ΔK<subgt;th</subgt;進(jìn)行比較，當(dāng)ΔK<subgt;eff</subgt;＝ΔK<subgt;th</subgt;時(shí)，所加載載荷即為臨界載荷。本方案分析了缺陷處應(yīng)力強(qiáng)度因子和缺陷擴(kuò)展門檻值從而探究車軸鋼在滾壓強(qiáng)化和異物沖擊雙重作用下在腐蝕環(huán)境中的臨界加載載荷；通過(guò)在強(qiáng)化處理的構(gòu)件表面一定深度引入殘余應(yīng)力場(chǎng)，可以有效提升鐵路車軸的臨界載荷，為確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃蕴峁?shù)據(jù)支持。

技術(shù)研發(fā)人員：羅艷,祁傳琦,康小鵬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：成都大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6