注油孔對機(jī)車車輪疲勞強(qiáng)度的影響

李前，姚銀，徐艷暉

(中車大同電力機(jī)車有限公司 研究院，山西 大同 037038)

車輪是機(jī)車走行部關(guān)鍵部件之一，是機(jī)車直接與鋼軌接觸部分，機(jī)車的牽引、加速及制動(dòng)都是依靠輪軌接觸的相互作用傳遞切向力來實(shí)現(xiàn)的.所以在機(jī)車車輪設(shè)計(jì)和制造時(shí)應(yīng)充分考慮并驗(yàn)證每一個(gè)細(xì)節(jié)，以確保機(jī)車的運(yùn)行安全[1].

每個(gè)車輪上都設(shè)有一個(gè)注油孔，主要為組裝和拆卸使用.注油孔設(shè)置位置一般都在輪轂上，其體積約占車輪輪轂體積的0.04%.其體積相對車輪輪轂占比很小，所以正常情況下車輪從設(shè)計(jì)、仿真分析、機(jī)械加工對注油孔都不會(huì)被重點(diǎn)關(guān)注，但往往就因?yàn)檫@樣一個(gè)小細(xì)節(jié)未關(guān)注，也會(huì)造成嚴(yán)重后果.

本文主要以一種電力機(jī)車車輪加工后進(jìn)行整體疲勞試驗(yàn)時(shí)，注油孔位置處發(fā)生裂紋，導(dǎo)致試驗(yàn)未通過為實(shí)例.經(jīng)分析研究，確定了故障原因并提出改進(jìn)措施，進(jìn)而探討注油孔對機(jī)車車輪疲勞強(qiáng)度的影響，以避免因注油孔而導(dǎo)致故障的發(fā)生.

1 車輪注油孔位置及裂紋情況

本文所述車輪材質(zhì)為R9T，符合標(biāo)準(zhǔn)UIC 812-3和TJ/JW 038-2014.車輪輪緣踏面外形采用符合TB/T449中的JM3 磨耗型踏面.該車輪采用直輻板結(jié)構(gòu)，注油孔位置在車輪輻板和轂孔連接的圓弧與輪轂交接處，注油孔中心線與轂孔中心線呈60°，注油孔與車輪外表面車有φ25 mm锪平面，其粗糙度規(guī)定為Ra12.5，如圖1所示.

圖1 車輪注油孔位置

車輪在裝車運(yùn)行考核前，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對車輪進(jìn)行整體疲勞試驗(yàn)，以驗(yàn)證車輪的可靠性.該試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方式，試驗(yàn)時(shí)在如圖2中A、B位置處粘貼應(yīng)變片，試驗(yàn)時(shí)車輪輻板徑向應(yīng)力幅值為240 MPa，其循環(huán)比R=-1，試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為107次.

圖2 車輪疲勞應(yīng)變片粘貼位置

當(dāng)該車輪疲勞試驗(yàn)進(jìn)行至200萬次時(shí)，發(fā)現(xiàn)車輪注油孔位置及注油孔背面位置處發(fā)生貫穿裂紋，如圖3、圖4所示.

圖3 試驗(yàn)車輪注油孔處裂紋 (應(yīng)變片A側(cè))

圖4 試驗(yàn)車輪注油孔背面位置處裂紋(應(yīng)變片B側(cè))

2 車輪裂紋原因分析

2.1 車輪機(jī)械性能分析

針對該故障，按照該車輪執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了機(jī)械性能檢驗(yàn).主要檢驗(yàn)項(xiàng)目有化學(xué)成分、低倍、金相組織分析.

(1) 化學(xué)成分

經(jīng)對該車輪化學(xué)成分分析，裂紋車輪的化學(xué)成分符合要求,排除了材料雜質(zhì)含量過高,導(dǎo)致材質(zhì)性能指標(biāo)劣化的可能性，各化學(xué)成分結(jié)果見表1所示.

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

(2) 低倍組織

依據(jù) TB/T 3031—2002進(jìn)行車輪低倍組織評定，采用工業(yè)鹽酸水熱蝕方式[2].結(jié)果顯示除輻板處有可見疲勞裂紋以外，車輪低倍組織滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，低倍組織見表2、圖5所示.

表2 低倍組織結(jié)果

圖5 低倍組織

(3) 金相組織

對車輪輻板疲勞開裂處和未發(fā)生開裂處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，車輪輻板開裂處未見冶金缺陷，開裂處和未開裂處金相組織均為珠光體+少量鐵素體，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.金相組織如圖6所示.

(a) 輻板開裂處 (b) 輻板未開裂處圖6 金相組織

根據(jù)分析結(jié)果可知，該車輪化學(xué)成分、低倍組織、金相組織均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.可以排除該車輪疲勞試驗(yàn)時(shí)注油孔位置處出現(xiàn)的裂紋不是車輪材質(zhì)缺陷存在不合格項(xiàng)而導(dǎo)致.

2.2 斷口分析

為找到車輪裂紋原因、定位裂紋起始點(diǎn)及斷裂形式，對該故障車輪裂紋位置解剖后進(jìn)行斷口分析，采用鋸切法將輻板裂紋打開，對斷口宏、微觀形貌進(jìn)行分析.

斷口宏觀形貌：經(jīng)目測觀察分析，確定斷口屬于疲勞斷裂，可明顯觀察到斷裂起源于輻板注油孔處.其中發(fā)現(xiàn)注油孔加工刀痕明顯，沉孔外圓角處有尖角，目測表面粗糙度已超出圖樣規(guī)定Ra12.5.

斷口微觀形貌：經(jīng)采用SEM斷口分析，在同樣放大倍數(shù)(50 μm)疲勞起源處斷口較平坦，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見疲勞輝紋.根據(jù)斷口宏、微觀形貌，可確定疲勞斷裂起源于注油孔表面加工刀痕處.斷口宏觀形貌見圖7所示.

圖7 斷口宏、微觀形貌

經(jīng)對故障車輪斷口進(jìn)行宏觀和微觀形貌分析，確定疲勞斷裂點(diǎn)起源于輻板注油孔處，初步判斷注油孔處加工刀痕明顯、粗糙度超出圖樣要求，是車輪失效的主要原因.

2.3 失效車輪建模仿真分析

本文分析車輪疲勞試驗(yàn)運(yùn)用的工具是ANASYS Workbench限元分析軟件[3]，建模邊界條件參照車輪試驗(yàn)試驗(yàn)大綱規(guī)定，模擬車輪疲勞試驗(yàn)時(shí)，保證車輪輻板上徑向應(yīng)力的幅值為240 MPa，對注油孔位置處的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，有限元模型如圖8所示.

圖8 有限元仿真模型

在模擬車軸軸端處加載，使試驗(yàn)車輪輻板A、B位置的應(yīng)力達(dá)到±240 MPa時(shí)，無注油孔模型分析結(jié)果表明，車輪輻板處注油孔位置處應(yīng)力為104 MPa，見圖9所示；有注油孔模型分析結(jié)果表明， 車 輪 輻板處注油孔φ25锪平面R2.5位置處應(yīng)力最大已達(dá)到337 MPa，見圖10所示[4].根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)表明，材質(zhì)為R9T車輪輻板屈服強(qiáng)度約為380～420 MPa，注油孔處最大應(yīng)力小于車輪輻板屈服強(qiáng)度.

圖9 無注油孔模型分析結(jié)果

圖10 有注油孔模型分析結(jié)果

2.4 與其他車輪建模仿真分析對比

因無標(biāo)準(zhǔn)可依，為驗(yàn)證該失效車輪注油孔處應(yīng)力是否合適，故選取其他4種已成熟應(yīng)用的電力機(jī)車車輪進(jìn)行建模對比分析，每個(gè)車輪輻板徑向應(yīng)力都達(dá)到試驗(yàn)要求的±240 MPa時(shí)，各車輪注油孔邊緣位置(R1、R2)、輻板厚度及注油孔處位置厚度(T1、T2)、輻板處注油孔應(yīng)力大小對比如圖11和表3所示.

圖11 車輪注油孔邊緣位置、車輪輻板厚度及注油孔處位置厚度

經(jīng)與其他4種車型已成熟應(yīng)用車輪注油孔處輻板厚度及徑向應(yīng)力大小對比可知，失效車輪注油孔處厚度相對偏小約11.52～24.35 mm，此處的徑向應(yīng)力也相對偏大4～81.4 MPa，所以失效車輪輻板注油孔處強(qiáng)度相對薄弱.從仿真分析結(jié)果可以看出，車輪注油孔本身會(huì)存在一定的應(yīng)力集中，注油孔位置若處于疲勞應(yīng)力相對較高的區(qū)域，兩者產(chǎn)生疊加效果，增加了車輪疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)[5].

表3 與其他機(jī)車車輪計(jì)算對比

3 結(jié)論

針對本次車輪疲勞試驗(yàn)失效實(shí)例，經(jīng)分析找到了車輪裂紋的主要原因，裂紋產(chǎn)生的原因是，注油孔孔邊是車輪受力的薄弱位置，而在加工時(shí)未做任何處理，加劇了局部的應(yīng)力集中，導(dǎo)致在車輪做疲勞試驗(yàn)時(shí)，注油孔孔邊局部應(yīng)力超出了材料的疲勞極限，從而在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生疲勞裂紋[6].針對該失效原因，給出了車輪注油孔設(shè)計(jì)建議如下：

(1) 車輪設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮對注油孔角度進(jìn)行調(diào)整，將注油孔入口位置盡量避開高應(yīng)力區(qū).建議盡量能遠(yuǎn)離輻板與轂孔連接圓弧[7-8];

(2) 車輪仿真分析時(shí)需關(guān)注注油孔處的應(yīng)力情況，防止注油孔處于高應(yīng)力區(qū);

(3) 車輪注油孔加工時(shí)應(yīng)提高锪平面及圓弧處粗糙度.另外對注油孔與車輪輻板面處棱邊進(jìn)行打磨處理，保證圓滑過渡，避免應(yīng)力集中.