[發(fā)明專利]鐵路車軸修正KT圖的獲取方法及損傷容限設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611200211.5
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106596148B
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳圣川;羅艷;徐忠偉
• 申請（專利權(quán)）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01M17/10
• 分類號: G01M17/10
• 代理公司: 成都高遠知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 51222
• 代理人: 李安霞;曾克

本發(fā)明涉及鐵路車軸修正Kitagawa–Takahashi(簡稱KT)圖的獲取方法及其損傷容限設(shè)計方法，包括以下步驟：步驟一、獲得車軸的疲勞極限σ_c；步驟二、在車軸所研究部位切割出深度為0.5～2mm的垂直于軸線的半橢圓形裂紋，在logΔσ～loga坐標系上繪制出一條直線A；步驟三、在logΔσ～loga坐標系上繪制直線B；步驟四、在logΔσ～loga坐標系上擬合出裂紋長度d₁～d₂之間的輪廓線；步驟五、在不同載荷水平下測定疲勞裂紋擴展規(guī)律，繪制出0～d₁之間的輪廓線，獲得考慮疲勞短裂紋效應(yīng)的修正KT圖。根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的修正KT圖，從車軸部位上測得相應(yīng)的裂紋長度，即可讀出所對應(yīng)的疲勞極限，可確保車軸服役可靠性，同時可以根據(jù)長期運行經(jīng)驗，得到適當延長或者縮短無損探測周期的方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及疲勞損傷分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及高速鐵路車軸修正Kitagawa–Takahashi(KT)圖的獲取方法及損傷容限設(shè)計方法。

背景技術(shù)

當前國內(nèi)外動車軸空心車軸設(shè)計均基于傳統(tǒng)的安全強度設(shè)計理論(或名義應(yīng)力法)，未考慮到實際材料制造及運行中缺陷(或裂紋)的演變特性及其應(yīng)力放大效應(yīng)。雖然近年來疲勞斷裂力學在車軸無損檢測周期方案制定和壽命評價中得到重視和應(yīng)用，但所假設(shè)的裂紋普遍大于2mm，而裂紋擴展壽命僅占服役總壽命很小一部分，導致車軸安全限界過大，給相關(guān)主機廠造成巨大損失，但束手無策，已成為高速列車共性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的不確定性因素和重大隱患。

顯然，若不考慮實際車軸運行中的短裂紋效應(yīng)，則將偏于危險地得到車軸疲勞強度和服役壽命結(jié)果。這一問題的根本癥結(jié)是沒有考慮到車軸運行中產(chǎn)生的疲勞短裂紋，沒有根據(jù)實際應(yīng)力狀態(tài)考慮疲勞短裂紋對服役狀態(tài)的影響，雖然近年來國內(nèi)外均開展了疲勞短裂紋研究，但未把常規(guī)設(shè)計準則與損傷容限設(shè)計方法有機結(jié)合起來綜合考察其服役行為。

疲勞損傷是高速列車基礎(chǔ)部件的關(guān)鍵科學問題之一，比較準確地預(yù)測出固有或者潛在缺陷的演變特性，確保列車不發(fā)生關(guān)鍵部件失效導致的脫軌和翻車等惡性事故，具有重要意義。一方面，傳統(tǒng)強度評估方法沒有考慮基體材料及結(jié)構(gòu)幾何的固有不連續(xù)性，忽略了由此帶來的應(yīng)力的局部增大，給出了過于保守的設(shè)計結(jié)論；另一方面，車軸在制造、運輸、服役和維護中不可避免出現(xiàn)磕碰傷、擦劃傷、異物撞擊坑、環(huán)境腐蝕坑、壓裝部磨損等微小缺陷，成為列車高速運行的巨大安全隱患。現(xiàn)行車軸二級修規(guī)定，一旦軸身缺陷深度大于0.3mm，立即換軸；而在卸荷槽和配合面等臨界安全部位則不允許出現(xiàn)大于0.1mm的缺陷。

專利文件(CN 106126856 A)公開了一種適用于負應(yīng)力比的基于低周疲勞性能參數(shù)的裂紋擴展速率預(yù)測方法，詳細介紹了短裂紋萌生壽命的計算方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供鐵路車軸修正KT圖的獲取方法及損傷容限設(shè)計方法，考慮了疲勞短裂紋效應(yīng)。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

高速鐵路車軸的修正KT圖的獲取方法，包括以下步驟：

步驟一、基于名義應(yīng)力方法選取至少3根以上的全尺寸車軸進行臺架疲勞試驗，得到疲勞極限σ_c，把σ_c所對應(yīng)的缺陷尺寸設(shè)為d₁，d₁＝10d，其中d為平均晶粒尺度或微結(jié)構(gòu)障礙長度；

步驟二、在i根取樣車軸的研究部位切割出深度為0.5～2mm的垂直于軸線的半橢圓形裂紋，然后對這i根車軸進行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞加載臺架試驗，使所述半橢圓形裂紋擴展，擴展后的裂紋對應(yīng)的深度為a_i，利用公式(1)在logΔσ～loga坐標系上繪制出一條直線A，所述直線A的最高點對應(yīng)的橫坐標為log d₂；