车轴是铁路机车车辆走行部最重要的部件,它几乎承受了机车车辆的全部重量。机车车辆在运行过程中一旦发生断轴,将引起列车脱轨、翻车等重大恶性事故。轮轴过盈配合部位的微动疲劳损伤是车轴失效的最主要的因素。车轴作为一个无限设计寿命的部件,几乎不允许裂纹的出现,因此轮轴配合部位微动疲劳的萌生问题受到了巨大的重视。列车运行过程中,在旋转弯曲载荷的作用下,轮轴配合面间将不可避免的产生微小的相对滑动,从而引发该部位的微动损伤。由于微动磨损的作用,配合面的轮廓将发生变化,进而导致配合面的接触参量和应力应变分布发生明显变化,最终显著地影响着微动疲劳的萌生。但是,目前国内外对轴类过盈配合结构的相关研究较少,且未能在考虑微动磨损的影响下对微动疲劳特性进行研究。对于铁路轮轴,轮轴配合部位的关键结构参数,如卸荷槽、过盈量和轮毂悬突量等,对车轴的抗微动疲劳能力存在显著的影响。目前铁路标准只是宽泛地规定了每个结构参数的取值范围,但在规定范围内取值不同时,轮轴配合部位的抗微动疲劳能力差异较大。因此非常有必要获得一种适用于铁路轮轴配合部位微动疲劳裂纹萌生预测模型。从而为轮轴配合部位关键结构参数的优化提供科学的指导,同时为轴类过盈配合结构微动损伤的问题提供有力的研究手段。受国家自然科学基金面上项目“高速列车轮轴压装部位微动疲劳损伤行为及寿命预测方法研究”(No.51375406)的资助,本论文采用小尺寸过盈配合结构进行了微动损伤中断试验,建立了适用于该过盈配合结构的微动磨损定量仿真模型和考虑微动磨损影响的微动疲劳裂纹萌生预测模型,并对该预测模型进行修正使其适用于铁路轮轴,本论文主要研究内容及获得的结论如下:(1)轴类过盈配合结构微动损伤演化过程研究采用小尺寸过盈配合结构进行了微动损伤中断试验,观察和测量了配合面微动损伤形貌,磨损轮廓和微动裂纹的萌生和扩展,并结合试验进行了有限元仿真,详细地分析了微动损伤带不同区域的产生机理。研究表明,磨损斑内磨损深度最大值出现在配合最边缘,越靠近配合内部,磨损深度逐渐减小,随着循环周次的增大,磨损斑的深度和宽度逐渐增大。微动疲劳裂纹萌生寿命在总寿命的10%和30%之间,萌生于距配合边缘约50-250μm的配合内部,裂纹萌生方向与轴试样的径向呈约20°。微动损伤带可明显地分为三个区域,其中区域I位于配合最边缘,仿真表明区域I全部位于张开区内,由于磨屑很容易排除,因此该区域非常干净,随着循环周次的增大,该区域的宽度逐渐增大;区域II内存在大量的氧化磨屑和剥层,仿真表明该区域的边界与受压时粘-滑分界线相对应,随着循环周次的增加,逐渐向着配合边缘移动;区域III存在轻微的氧化磨损和剥层,该区域的边界与受拉时粘-滑分界线相对应,其位置基本不随着循环周次而移动。同时发现微动磨损斑的宽度与受拉时配合面张开区的宽度相近。(2)轴类过盈配合结构微动磨损定量仿真模型和微动疲劳裂纹萌生预测模型的建立建立微动磨损预测模型时,需要对最小网格尺寸、循环跳跃值和增量步数进行优化计算,从而在保证计算精度的前提下,尽量提高计算效率。优化结果表明,配合边缘处网格的最小尺寸需不大于磨损斑的3%,从而更加光滑地表征磨损形貌,循环跳跃值越大,计算效率越高,但过大的循环跳跃值将导致预测结果偏大,同时发现,增量步数对仿真结果影响较小,但它与计算机时呈正比,因此在保证收敛的情况下尽量降低增量步数。需要对SWT临界平面法进行平均压应力的修正,从而避免过高估计平均压应力对裂纹萌生和扩展的抑制作用。验证结果表明,本文建立的磨损模型能够准确地预测磨损斑的宽度和磨损深度的最大值及其出现的位置,对于配合内部,由于未能考虑磨屑堆积的影响,预测结果略大于试验测量结果;本文建立的裂纹萌生预测模型能够较准确地对裂纹萌生位置、萌生角度和萌生寿命进行预测。(3)微动磨损对过盈配合结构配合面轮廓、接触参量和微动疲劳裂纹萌生影响规律的研究随着循环周次的增大,磨损斑的深度和宽度均逐渐增加,配合内部,接触压应力在磨损与未磨损过渡区域出现极值,且逐渐增大,相对滑移幅值逐渐降低;对于配合边缘,严重的微动磨损极大地缓解了应力集中程度,与此同时,已累积较大损伤的表面材料将很快被磨掉,因此该区域的微动磨损严重的抑制了微动裂纹的萌生;对于配合内部,磨损与未磨损的过渡位置出现新的应力集中区,且该区域的磨损较轻微,表面材料不易被磨掉,因此该区域的微动磨损对微动裂纹的萌生起明显地促进作用。(4)采用铁路轮轴微动疲劳裂纹萌生预测模型定性地研究了卸荷槽对抗微动疲劳能力的影响规律验证结果表明本文建立的铁路轮轴裂纹萌生预测模型能够定性地研究卸荷槽对抗微动疲劳能力的影响规律。随着卸荷槽深度的增大,配合边缘应力集中越低,相应的配合边缘的接触压应力和滑移幅值逐渐减小,从而导致磨损斑的深度和宽度逐渐减小,同时等效全应变幅值和累计损伤值D均逐渐减小。对于配合内部,由于磨损产生的新的应力集中区域随着卸荷槽深度的增大,逐渐向着配合边缘移动,且该区域内的等效全应变幅值和累计损伤值D均逐渐减小。随着卸荷槽半径的增大,配合边缘部位的接触压应力和滑移幅值均略微增大,从而导致边缘部位的磨损斑深度和宽度均略微增大,对于配合边缘,随着卸荷槽半径的增大,应力集中程度略微增大,等效全应变幅值和累计损伤值D均逐渐增大,对于配合内部,随着卸荷槽半径的增大,新的应力集中区域出现的位置逐渐向着配合内部移动,该区域内的等效全应变幅值和累计损伤值D均逐渐增大。