螺栓作为制动盘的关键部件之一,在制动过程中不仅承受较高的轴向预紧力,还受到制动时产生的热载荷和外部的振动激励。自兰新线开通运营至今,制动盘螺栓断裂或丢失事故时有发生。为了研究螺栓断裂的原因,本文以兰新线上运行的动车组制动盘断裂螺栓为研究对象,分析在长大坡道下动车组制动盘螺栓的损伤情况,对动车组制动系统的可靠性及运行安全性提出建议。主要工作如下:(1)首先对断裂螺栓进行化学成分、硬度和抗拉强度等理化性能试验。通过扫描电镜观察螺栓断口形貌和金相组织,判断螺栓根部材料是否存在缺陷。从螺栓材料分析结果可以看出其物理和化学性能满足相关技术要求。断面显示螺栓扩展区域较小,说明在服役过程中承受一定过载导致螺栓发生低周疲劳断裂。(2)根据螺栓断裂位置,建立考虑螺纹的六面体网格有限元模型,采用热-力耦合分析螺栓的力学及热学特性。为了分析高温对制动盘螺栓产生的影响,分别计算制动初速度为350 km/h、300 km/h和250 km/h时制动盘螺栓的温度场和应力场分布。结果表明:螺栓的整体温度水平小于制动盘面,最大温度位于靠近制动盘的螺栓中部并向四周扩散。相比制动盘面的温度变化,螺栓中部和啮合第一圈螺纹根部的温度变化存在滞后现象。螺栓中部和啮合第一圈螺纹根部的温度逐渐上升并趋于稳定。(3)从兰新线长大坡道的线路工况入手,将速度与海拔变化以热流密度的形式作为有限元分析的加载条件。在坡道制动过程中,由于制动盘材料热性能和结构的差异,螺栓的温度场分布不均匀。在预紧和放松阶段,螺栓的应力分布左右较为对称,且螺栓最大等效应力处为啮合第一圈螺纹。由于螺栓结构的承载特点以及螺纹根部半径较小,啮合第一圈螺纹造成严重的应力集中现象。持续制动过程中的制动盘膨胀使螺栓预紧力上升,同时也出现了沿X轴的扭矩。预紧力和扭矩变化使螺栓应力分布左右不对称,加剧了螺栓根部应力集中。应力集中位置与螺栓实际断裂位置相同。(4)采用临界面法结合SWT疲劳准则分析螺栓裂纹萌生和扩展特性和预估疲劳寿命。通过坐标变换得到不同螺纹深度下临界面上损伤参数。最大损伤参数位于螺纹根部表面,并随着深度的增加而大幅降低。损伤参数分布特点与螺纹根部区域几何特性大致相同。在连续制动下螺纹根部附加热负荷对螺栓寿命影响较大。由于只考虑螺栓受预紧力和热应力作用的影响,采用SWT准则预估螺栓的疲劳寿命比统计的断裂次数较大。